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luz lenta

La luz lenta es la propagación de un pulso óptico u otra modulación de una portadora óptica a una velocidad de grupo muy baja . La luz lenta se produce cuando un pulso que se propaga se ralentiza sustancialmente por la interacción con el medio en el que tiene lugar la propagación.

Se sabía que velocidades de grupo por debajo de la velocidad de la luz en el vacío c eran posibles ya en 1880, pero no pudieron realizarse de manera útil hasta 1991, cuando Stephen Harris y sus colaboradores demostraron la transparencia inducida electromagnéticamente en átomos de estroncio atrapados. [1] [2] En 1995 se informó de una reducción de la velocidad de la luz en un factor de 165. [3] En 1998, la física danesa Lene Vestergaard Hau dirigió un equipo combinado de la Universidad de Harvard y el Instituto Rowland de Ciencias que obtuvo resultados mucho más bajos. velocidades grupales de la luz. Lograron reducir la velocidad de un rayo de luz a unos 17 metros por segundo. [4] En 2004, investigadores de la Universidad de California en Berkeley demostraron por primera vez luz lenta en un semiconductor , con una velocidad de grupo de 9,6 kilómetros por segundo. [5] Posteriormente, Hau y sus colegas lograron detener la luz por completo y desarrollaron métodos mediante los cuales se puede detener y luego reiniciar. [6] [7]

En 2005, IBM creó un microchip que puede ralentizar la luz, fabricado con materiales bastante estándar, lo que podría allanar el camino hacia la adopción comercial. [8]

Fondo

Cuando la luz se propaga a través de un material, viaja más lento que la velocidad del vacío, c . Se trata de un cambio en la velocidad de fase de la luz y se manifiesta en efectos físicos como la refracción . Esta reducción de velocidad se cuantifica mediante la relación entre cy la velocidad de fase. Esta relación se llama índice de refracción del material. La luz lenta es una reducción dramática en la velocidad de grupo de la luz, no en la velocidad de fase. Los efectos de la luz lenta no se deben a índices de refracción anormalmente grandes, como se explicará a continuación.

La imagen más simple de la luz dada por la física clásica es la de una onda o perturbación en el campo electromagnético . En el vacío , las ecuaciones de Maxwell predicen que estas perturbaciones viajarán a una velocidad específica, denotada por el símbolo c . Esta constante física tan conocida se conoce comúnmente como velocidad de la luz . El postulado de la constancia de la velocidad de la luz en todos los sistemas de referencia inerciales se encuentra en el corazón de la relatividad especial y ha dado lugar a la noción popular de que "la velocidad de la luz es siempre la misma". Sin embargo, en muchas situaciones la luz es más que una perturbación en el campo electromagnético.

La luz que viaja dentro de un medio no es simplemente una perturbación del campo electromagnético, sino más bien una perturbación del campo y de las posiciones y velocidades de las partículas cargadas ( electrones ) dentro del material. El movimiento de los electrones está determinado por el campo (debido a la fuerza de Lorentz ) pero el campo está determinado por las posiciones y velocidades de los electrones (debido a la ley de Gauss y la ley de Ampère ). El comportamiento de una perturbación de este campo combinado de densidad de carga electromagnética (es decir, la luz) todavía está determinado por las ecuaciones de Maxwell, pero las soluciones son complicadas debido al estrecho vínculo entre el medio y el campo.

La comprensión del comportamiento de la luz en un material se simplifica limitando los tipos de perturbaciones estudiadas a funciones sinusoidales del tiempo. Para este tipo de perturbaciones las ecuaciones de Maxwell se transforman en ecuaciones algebraicas y se resuelven fácilmente. Estas perturbaciones especiales se propagan a través de un material a una velocidad menor que c llamada velocidad de fase . La relación entre c y la velocidad de fase se llama índice de refracción o índice de refracción del material ( n ). El índice de refracción no es constante para un material determinado, sino que depende de la temperatura, la presión y la frecuencia de la onda luminosa (sinusoidal). Esto último conduce a un efecto llamado dispersión .

El ojo humano percibe la intensidad de la perturbación sinusoidal como el brillo de la luz y la frecuencia como el color . Si una luz se enciende o apaga en un momento específico o se modula de otra manera, entonces la amplitud de la perturbación sinusoidal también depende del tiempo. La amplitud que varía en el tiempo no se propaga a la velocidad de fase sino a la velocidad de grupo . La velocidad del grupo depende no sólo del índice de refracción del material, sino también de la forma en que el índice de refracción cambia con la frecuencia (es decir, la derivada del índice de refracción con respecto a la frecuencia).

La luz lenta se refiere a una velocidad de grupo de luz muy baja. Si la relación de dispersión del índice de refracción es tal que el índice cambia rápidamente en un pequeño rango de frecuencias, entonces la velocidad del grupo podría ser muy baja, miles o millones de veces menor que c , aunque el índice de refracción siga siendo un índice típico. valor (entre 1,5 y 3,5 para vidrios y semiconductores).

Preparación

Hay muchos mecanismos que pueden generar luz lenta, todos los cuales crean regiones espectrales estrechas con alta dispersión , es decir, picos en la relación de dispersión . Los esquemas generalmente se agrupan en dos categorías: dispersión de material y dispersión de guías de onda.

Dispersión de materiales

Los mecanismos de dispersión de materiales, como la transparencia inducida electromagnéticamente (EIT), la oscilación de población coherente (CPO) y varios esquemas de mezcla de cuatro ondas (FWM), producen un cambio rápido en el índice de refracción en función de la frecuencia óptica, es decir, modifican el componente temporal. de una onda que se propaga. Esto se hace mediante el uso de un efecto no lineal para modificar la respuesta dipolar de un medio a una señal o campo de "sonda". Los mecanismos de dispersión, como los cristales fotónicos en los bordes rojo y azul, [9] guías de ondas ópticas de resonador acoplado (CROW) y otras estructuras de microresonadores [10] modifican el componente espacial (vector k) de una onda que se propaga.

Dispersión de guía de ondas

La luz lenta también se puede lograr explotando las propiedades de dispersión de guías de ondas planas realizadas con metamateriales negativos simples (SNM) [11] [12] o metamateriales negativos dobles (DNM). [13]

Una figura de mérito predominante [ se necesita aclaración ] de los esquemas de luz lenta es el producto de retardo de ancho de banda (BDP). La mayoría de los esquemas de luz lenta en realidad pueden ofrecer un retraso arbitrariamente largo para una longitud de dispositivo determinada (longitud/retraso = velocidad de la señal) a expensas del ancho de banda . El producto de los dos es aproximadamente constante. Una cifra de mérito relacionada es el retraso fraccionario , el tiempo que se retrasa un pulso dividido por el tiempo total del pulso. La transparencia inducida por plasmón, análoga a la EIT, proporciona otro enfoque basado en la interferencia destructiva entre diferentes modos de resonancia. Trabajos recientes han demostrado este efecto en una amplia ventana de transparencia en un rango de frecuencia superior a 0,40 THz. [14]

Usos potenciales

La desaceleración de la luz tiene varias aplicaciones prácticas potenciales en múltiples campos tecnológicos, desde Internet de banda ancha hasta computación cuántica: [15]

En ficción

La descripción de "luminita" en la novela de Maurice Renard , Le maître de la lumière ( El maestro de la luz , 1933), podría ser una de las primeras menciones a la luz lenta. [22]

Estos cristales tienen una composición a través de la cual la luz se ralentiza del mismo modo que cuando pasa a través del agua. Usted sabe bien, Péronne, cómo se puede oír un sonido más rápidamente a través, por ejemplo, de un conducto metálico o de cualquier otro sólido que a través del simple espacio. Bueno, Péronne, ¡todo esto pertenece a la misma familia de fenómenos! Aquí está la solución. Estos paneles de vidrio ralentizan la luz a un ritmo increíble, ya que sólo hace falta una lámina relativamente delgada para frenarla cien años. ¡Se necesitan cien años para que un rayo de luz atraviese este trozo de materia! Le llevaría un año atravesar una centésima parte de esta profundidad. [23]

A continuación se detallan las obras de ficción posteriores que abordan la luz lenta.

Ver también

Notas

  1. ^ Khurgin, Jacob B. (30 de septiembre de 2010). "Luz lenta en varios medios: un tutorial". Avances en Óptica y Fotónica . 2 (3): 287. Código bibliográfico : 2010AdOP....2..287K. doi :10.1364/AOP.2.000287. ISSN  1943-8206.
  2. ^ Boller, K.-J.; Imamoğlu, A.; Harris, SE (20 de mayo de 1991). "Observación de la transparencia inducida electromagnéticamente". Cartas de revisión física . 66 (20): 2593–2596. Código bibliográfico : 1991PhRvL..66.2593B. doi : 10.1103/PhysRevLett.66.2593 . ISSN  0031-9007. PMID  10043562.
  3. ^ Kasapi, A.; Jainista, Maneesh; Yin, GY; Harris, SE (27 de marzo de 1995). "Transparencia inducida electromagnéticamente: dinámica de propagación". Cartas de revisión física . 74 (13): 2447–2450. Código bibliográfico : 1995PhRvL..74.2447K. doi : 10.1103/PhysRevLett.74.2447. PMID  10057930.
  4. ^ Cromie, William J. (18 de febrero de 1999). "Los físicos reducen la velocidad de la luz". La Gaceta de la Universidad de Harvard . Consultado el 26 de enero de 2008 .
  5. ^ Ku, Pei-Cheng; Sedgwick, Forrest; Chang-Hasnain, Connie J.; Palinginis, Phedon; Li, Tao; Wang, Hailin; Chang, Shu-Wei; Chuang, Shun-Lien (1 de octubre de 2004). "Luz lenta en pozos cuánticos de semiconductores". Letras de Óptica . 29 (19): 2291–2293. Código Bib : 2004OptL...29.2291K. doi :10.1364/OL.29.002291. ISSN  0146-9592. PMID  15524384. S2CID  18216095.
  6. ^ "La luz se convirtió en materia, luego se detuvo y se movió". Fotónica.com . Consultado el 10 de junio de 2013 .
  7. ^ Ginsberg, Naomi S.; Garner, Sean R.; Hau, Lene Vestergaard (8 de febrero de 2007). "Control coherente de la información óptica con la dinámica de las ondas de materia" (PDF) . Naturaleza . 445 (7128): 623–626. doi : 10.1038/naturaleza05493. PMID  17287804. S2CID  4324343.
  8. ^ Kanellos, Michael (2 de noviembre de 2005). "IBM ralentiza la luz y la prepara para la conexión en red". Noticias ZDNet . Archivado desde el original el 19 de diciembre de 2007 . Consultado el 26 de enero de 2008 .
  9. ^ Deparis, Olivier; Mouchet, Sébastien Robert; Su, Bao-Lian (2015). "Revisión de la captación de luz en cristales fotónicos: ¿por qué los fotones lentos en el borde azul mejoran la absorción?". Química Física Física Química . 17 (45): 30525–30532. Código Bib : 2015PCCP...1730525D. doi :10.1039/C5CP04983K. PMID  26517229.
  10. ^ Lee, Myungjun; et al. (2010). "Estudio de diseño sistemático de una línea de retardo totalmente óptica basada en resonadores de anillo acoplados en cascada mejorados con dispersión Brillouin" (PDF) . Revista de Óptica A. 12 (10): 104012. arXiv : 1002.0084 . Código Bib : 2010JOpt...12j4012L. doi :10.1088/2040-8978/12/10/104012. S2CID  18504919.
  11. ^ Lu, Wentao T.; Savo, Salvatore; Casse, B. Didier F.; Sridhar, Srinivas (2009). "Guía de ondas de microondas lenta hecha de metamateriales de permeabilidad negativa" (PDF) . Cartas de Tecnología Óptica y Microondas . 51 (11): 2705–2709. CiteSeerX 10.1.1.371.6810 . doi : 10.1002/mop.24727. S2CID  9329986. 
  12. ^ Savo, Salvatore; Lu, Wentao T.; Casse, B. Didier F.; Sridhar, Srinivas (2011). "Observación de luz lenta en una guía de ondas de metamateriales en frecuencias de microondas" (PDF) . Letras de Física Aplicada . 98 (17): 1719079. Código bibliográfico : 2011ApPhL..98q1907S. doi : 10.1063/1.3583521.
  13. ^ Tsakmakidis, KL; Él es tan.; Boardman, AD (2007). "Almacenamiento de luz de arco iris atrapado en metamateriales". Naturaleza . 450 (7168): 397–401. Código Bib :2007Natur.450..397T. doi : 10.1038/naturaleza06285. PMID  18004380. S2CID  34711078.
  14. ^ Zhu, Zhihua; et al. (2013). "Transparencia inducida por plasmón de banda ancha en metamateriales de terahercios". Nanotecnología . 24 (21): 214003. Código bibliográfico : 2013Nanot..24u4003Z. doi :10.1088/0957-4484/24/21/214003. PMID  23618809. S2CID  14627755.
  15. ^ Nield, David (10 de febrero de 2024). "Los científicos ralentizaron la luz 10.000 veces en un experimento". Alerta científica . Consultado el 12 de febrero de 2024 .
  16. ^ Bhagat, Divyani; Gaikwad, Mahesh (1 de enero de 2021). "Una revisión sobre la producción de luz lenta con caracterización de materiales". Materiales hoy: actas . Conferencia Internacional sobre Comportamiento y Caracterización de Materiales Avanzados (ICAMBC 2020). 43 : 1780-1783. doi :10.1016/j.matpr.2020.10.453. ISSN  2214-7853.
  17. ^ Pollitt, Michael (7 de febrero de 2008). "Un toque ligero podría impulsar las redes de fibra óptica". El guardián . Consultado el 4 de abril de 2008 .
  18. ^ Krauss, Thomas F. (agosto de 2008). "¿Por qué necesitamos luz lenta?". Fotónica de la naturaleza . 2 (8): 448–450. Código Bib : 2008NaPho...2..448K. doi :10.1038/nphoton.2008.139. ISSN  1749-4885.
  19. ^ Wang, Xu; Zhao, Yuhe; Ding, Yunhong; Xiao, Sanshui; Dong, Jianji (1 de septiembre de 2018). "Línea de retardo óptico sintonizable basada en acopladores contradireccionales asistidos por rejilla integrada". Investigación en fotónica . 6 (9): 880–886. doi :10.1364/PRJ.6.000880. ISSN  2327-9125. S2CID  54203226.
  20. ^ Shi, Zhimin; Boyd, Robert W.; Gauthier, Daniel J.; Dudley, CC (15 de abril de 2007). "Mejora de la sensibilidad espectral de los interferómetros utilizando medios de luz lenta". Letras de Óptica . 32 (8): 915–917. Código Bib : 2007OptL...32..915S. doi :10.1364/OL.32.000915. ISSN  0146-9592. PMID  17375152.
  21. ^ Fleischhauer, M.; Lukin, MD (15 de enero de 2002). "Memoria cuántica para fotones: polaritones en estado oscuro". Revisión física A. 65 (2): 022314. arXiv : quant-ph/0106066 . Código Bib : 2002PhRvA..65b2314F. doi : 10.1103/PhysRevA.65.022314. ISSN  1050-2947. S2CID  54532771.
  22. ^ Renard, Mauricio (1933). El Maestro de la Luz .
  23. ^ Evans, Arthur B. (noviembre de 1994). "La ciencia ficción fantástica de Maurice Renard". Estudios de ciencia ficción . 21 (64) . Consultado el 23 de febrero de 2011 .
  24. ^ Pratchett, Terry (1983). El color de la magia . Libros de National Geographic. ISBN 9780552166591.
  25. ^ Shaw, Bob (1972). Otros días, otros ojos. Libros pan. ISBN 9780330238939.

Referencias