Primera observación de los paquetes de ondas de de Broglie-Mackinnon lograda al explotar la laguna en el teorema de la década de 1980

Los investigadores de la Facultad de Óptica y Fotónica de la Universidad de Florida Central lograron la primera observación de los paquetes de ondas de Broglie-Mackinnon al explotar una laguna en un teorema de física láser de la década de 1980.

El artículo de investigación del profesor Ayman Abouraddy y el asistente de investigación Layton Hall de CREOL y Florida Photonics Center of Excellence ha sido publicado en la revista Física de la naturaleza.

La observación de los paquetes de ondas ópticas de De Broglie-Mackinnon destaca la investigación del equipo utilizando una clase de rayos láser pulsados ​​que denominan paquetes de ondas de espacio-tiempo.

En una entrevista con el Dr. Abouraddy, brinda más información sobre la investigación de su equipo y lo que puede deparar para el futuro.

Logró varias ‘primicias’ durante esta fase de su investigación. ¿Podría proporcionarnos algo de la historia de las ideas teóricas que lo trajeron aquí?

En los primeros días del desarrollo de la mecánica cuántica hace casi 100 años, Louis de Broglie hizo el avance conceptual crucial de identificar ondas con partículas, a veces llamado dualidad onda-partícula. Sin embargo, no se resolvió un dilema crucial. Las partículas son espacialmente estables: su tamaño no cambia a medida que viajan, sin embargo, las ondas sí cambian, extendiéndose en el espacio y el tiempo. ¿Cómo se puede construir un modelo a partir de las ondas sugeridas por De Broglie que, sin embargo, corresponda con precisión a una partícula?

En la década de 1970, L. Mackinnon propuso una solución combinando la teoría especial de la relatividad de Einstein con las ondas de De Broglie para construir un «paquete de ondas» estable que no se propaga y, por lo tanto, puede acompañar a una partícula viajera. Esta propuesta pasó desapercibida porque no existía una metodología para producir tal paquete de ondas. En los últimos años, mi grupo ha estado trabajando en una nueva clase de rayos láser pulsados ​​que hemos llamado «paquetes de ondas de espacio-tiempo», que viajan rígidamente en el espacio libre.

En nuestra investigación reciente, Layton extendió este comportamiento a la propagación en medios dispersivos, que normalmente estiran los pulsos ópticos, a excepción de los paquetes de ondas de espacio-tiempo que resisten este estiramiento. Reconoció que la propagación de paquetes de ondas de espacio-tiempo en un medio dotado de un tipo especial de dispersión (la llamada dispersión ‘anómala’) corresponde a la propuesta de Mackinnon. En otras palabras, los paquetes de ondas de espacio-tiempo son la clave para lograr finalmente el sueño de De Broglie. Al llevar a cabo experimentos con láser en este sentido, observamos por primera vez lo que hemos llamado paquetes de ondas de Broglie-Mackinnon y verificamos sus propiedades predichas.

¿Qué es único acerca de sus resultados?

Hay varios aspectos únicos de este documento. Este es el primer ejemplo de un pulso que se propaga invariablemente en un medio con dispersión anómala. De hecho, un conocido teorema de la física láser de la década de 1980 pretende demostrar que tal hazaña es imposible. Encontramos una laguna en ese teorema que explotamos al diseñar nuestros campos ópticos.

Además, todos los campos pulsados ​​anteriores que se propagan sin cambios tienen forma de X. Durante mucho tiempo se ha teorizado que deberían existir paquetes de ondas invariantes de propagación en forma de O, pero nunca se han observado. Nuestros resultados revelan los primeros paquetes de ondas invariantes de propagación en forma de O observados.

La Oficina de Investigación Naval de EE. UU. está apoyando su investigación. ¿De qué manera sus hallazgos son útiles para ellos y para otros?

Todavía no lo sabemos exactamente. Sin embargo, estos hallazgos tienen consecuencias prácticas en términos de la propagación de pulsos ópticos en medios dispersivos sin sufrir el impacto deletéreo de la dispersión.

Estos resultados pueden allanar el camino para las pruebas ópticas de las soluciones de la ecuación de Klein-Gordon para partículas masivas, e incluso pueden conducir a la síntesis de paquetes de ondas no dispersivos utilizando ondas de materia. Esto también permitiría nuevas técnicas de detección y microscopio.

¿Cuáles son los siguientes pasos?

Este trabajo es parte de un estudio más amplio de las características de propagación de los paquetes de ondas en el espacio-tiempo. Esto incluye la propagación a larga distancia de paquetes de ondas en el espacio-tiempo que estamos probando en la Instalación de Experimentación de Ciencia y Tecnología del Instituto Townes (TISTEF) de la UCF en la costa espacial de Florida. Desde una perspectiva fundamental, el espectro óptico que hemos utilizado en nuestros experimentos se encuentra en una trayectoria cerrada. Esto nunca se había logrado antes, y abre el camino para estudiar estructuras topológicas de luz en superficies cerradas.