Luz que espirala como una carcasa nautilus

Vigas de luz que se pueden guiar en formas tipo sacacorchos llamadas vórtices ópticos se usan hoy en una variedad de aplicaciones. Presionando los límites de la luz estructurada, Harvard aplicó a los físicos en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de John A. Paulson (SEAS) informa un nuevo tipo de haz de vórtice óptico que no solo gira a medida que viaja, sino que también cambia en diferentes partes a diferentes tasas para crear patrones únicos. La forma en que los comportamientos de la luz se asemejan a las formas espirales comunes en la naturaleza.

Los investigadores tomaron prestados de la mecánica clásica para apodar su vórtice de luz nunca antes democratado como un «rotatum óptico», para describir cómo el par en la forma de sacacorchos de la luz cambia gradualmente. En la física newtoniana, «Rotatum» es la tasa de cambio en el par en un objeto con el tiempo.

El Rotatum óptico fue creado en el laboratorio de Federico Capasso, el profesor de física aplicada de Robert L. Wallace y el investigador senior de Vinton Hayes en Ingeniería Eléctrica en Seas. «Este es un nuevo comportamiento de la luz que consiste en un vórtice óptico que se propaga a través del espacio y los cambios de maneras inusuales», dijo Capasso. «Es potencialmente útil para manipular la pequeña materia». La investigación es publicado en Avances científicos.

En un giro peculiar, los investigadores descubrieron que su haz de luz orbital angular que transporta el momento creciendo en un patrón matemáticamente reconocible que se encuentra en todo el mundo natural. Al reflejar la secuencia de números Fibonacci (famosa en el código Da Vinci), su rotatum óptico se propaga en una espiral logarítmica que se ve en la cubierta de un nautilus, las semillas de un girasol y las ramas de los árboles.

«Ese fue uno de los aspectos más destacados de esta investigación», dijo el primer autor Ahmed Dorrah, ex asociado de investigación en el Laboratorio de Capasso, ahora profesor asistente en la Universidad Tecnológica de Eindhoven. «Esperemos que podamos inspirar a otros que son especialistas en matemáticas aplicadas para estudiar más a fondo estos patrones de luz y obtener información única sobre su firma universal».

La investigación se basa en trabajos anteriores en el que el equipo usó una metasuperficie, una lente delgada grabada con nanoestructos de flexión de luz, para crear un haz de luz con polarización controlada e impulso angular orbital a lo largo de su ruta de propagación, convirtiendo cualquier entrada de luz en otras estructuras que cambian a medida que se mueven. Ahora, han introducido otro grado de libertad a su luz, en el que también pueden cambiar su par espacial a medida que se propaga.

«Mostramos aún más versatilidad de control, y podemos hacerlo continuamente», dijo Alfonso Palmieri, un estudiante graduado en el Laboratorio de Capasso y coautor de esta investigación.

Los casos de uso potenciales para un haz de luz tan exótico incluyen el control de partículas muy pequeñas, como coloides en suspensión, al introducir un nuevo tipo de fuerza de acuerdo con el par inusual de la luz. También podría habilitar una pinza óptica precisa para la micromanipulación de cosas pequeñas.

Mientras que otros han demostrado una luz que cambia de torque utilizando láseres de alta intensidad y configuraciones voluminosas, el equipo de Harvard hizo la suya con una sola pantalla de cristal líquido y un haz de baja intensidad. Al mostrar que pueden crear un rotatum en un dispositivo integrado e compatible con la industria, la barrera de entrada para que su tecnología se convierta en realidad es mucho más baja que las demostraciones anteriores.