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Luz lenta

En óptica , 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 debido a la interacción con el medio en el que se produce la propagación.

Ya en 1880 se sabía que era posible alcanzar velocidades de grupo inferiores a la velocidad de la luz en el vacío c , pero no se pudo lograr 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 por 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 para la Ciencia que logró alcanzar velocidades de grupo de luz mucho más bajas. Consiguieron reducir la velocidad de un haz de luz a unos 17 metros por segundo. [4] En 2004, investigadores de la UC Berkeley demostraron por primera vez la luz lenta en un semiconductor , con una velocidad de grupo de 9,6 kilómetros por segundo. [5] Hau y sus colegas lograron más tarde detener la luz por completo y desarrollaron métodos mediante los cuales se puede detener y reiniciar más tarde. [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 . Esto es un cambio en la velocidad de fase de la luz y se manifiesta en efectos físicos como la refracción . Esta reducción en la velocidad se cuantifica por la relación entre c y la velocidad de fase. Esta relación se llama índice de refracción del material. La luz lenta es una reducción drástica 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 que ofrece 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 conocida constante física se conoce comúnmente como la 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 únicamente 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 vínculo íntimo 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 estos tipos 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 denomina índice de refracción o índice de refracción del material ( n ). El índice de refracción no es una constante para un material determinado, sino que depende de la temperatura, la presión y la frecuencia de la onda de luz (sinusoidal). Esto último produce 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 se apaga en un momento específico o se modula de otro modo, entonces la amplitud de la perturbación sinusoidal también depende del tiempo. La amplitud variable en el tiempo no se propaga a la velocidad de fase sino a la velocidad de grupo . La velocidad de grupo depende no solo 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 rango pequeño de frecuencias, entonces la velocidad de grupo podría ser muy baja, miles o millones de veces menor que c , aunque el índice de refracción aún sea un valor típico (entre 1,5 y 3,5 para vidrios y semiconductores).

Preparación

Existen 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 guía de ondas.

Dispersión de material

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 como función de la frecuencia óptica, es decir, modifican el componente temporal de una onda que se propaga. Esto se hace utilizando un efecto no lineal para modificar la respuesta dipolar de un medio a una señal o campo "sonda". Los mecanismos de dispersión, como los cristales fotónicos en los bordes rojo y azul [9] , las guías de onda ópticas de resonador acoplado (CROW) y otras estructuras de microresonador [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 las guías de ondas planas realizadas con metamateriales negativos simples (SNM) [11] [12] o metamateriales negativos dobles (DNM). [13]

Una figura de mérito predominante [ aclaración necesaria ] de los esquemas de luz lenta es el producto de retardo de ancho de banda (BDP). La mayoría de los esquemas de luz lenta pueden ofrecer un retardo arbitrario para una longitud de dispositivo dada (longitud/retardo = velocidad de la señal) a expensas del ancho de banda . El producto de los dos es aproximadamente constante. Una figura de mérito relacionada es el retardo fraccional , el tiempo que se retrasa un pulso dividido por el tiempo total del pulso. La transparencia inducida por plasmones, un análogo de la EIT, proporciona otro enfoque basado en la interferencia destructiva entre diferentes modos de resonancia. Trabajos recientes han demostrado este efecto sobre una amplia ventana de transparencia en un rango de frecuencia mayor 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 la computación cuántica: [15]

En la 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 de la luz lenta. [22]

Estos cristales son de una composición a través de la cual la luz se ralentiza de la misma manera que cuando pasa a través del agua. Usted sabe bien, Péronne, que se puede oír más rápidamente un sonido a través, por ejemplo, de un conducto metálico o de cualquier otro sólido que a través del simple espacio. Pues bien, Péronne, todo esto pertenece a la misma familia de fenómenos. He aquí la solución. Estos cristales ralentizan la luz a un ritmo increíble, ya que basta con una lámina relativamente delgada para que la ralentice cien años. ¡Un rayo de luz tarda cien años en atravesar esta lámina de materia! Se necesitaría un año para atravesar una centésima parte de esta profundidad. [23]

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

Véase 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. Bibcode :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 transparencia inducida electromagnéticamente". Physical Review Letters . 66 (20): 2593–2596. Bibcode :1991PhRvL..66.2593B. doi : 10.1103/PhysRevLett.66.2593 . ISSN  0031-9007. PMID  10043562.
  3. ^ Kasapi, A.; Jain, Maneesh; Yin, GY; Harris, SE (27 de marzo de 1995). "Transparencia inducida electromagnéticamente: dinámica de propagación". Physical Review Letters . 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". The Harvard University Gazette . 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". Optics Letters . 29 (19): 2291–2293. Bibcode :2004OptL...29.2291K. doi :10.1364/OL.29.002291. ISSN  0146-9592. PMID  15524384. S2CID  18216095.
  6. ^ "La luz se transformó en materia, luego se detuvo y se movió". Photonics.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 dinámica de ondas de materia" (PDF) . Nature . 445 (7128): 623–626. doi :10.1038/nature05493. PMID  17287804. S2CID  4324343.
  8. ^ Kanellos, Michael (2005-11-02). "IBM ralentiza la luz y la prepara para la interconexión". Noticias de ZDNet . Archivado desde el original el 2007-12-19 . Consultado el 2008-01-26 .
  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. Bibcode :2015PCCP...1730525D. doi :10.1039/C5CP04983K. PMID  26517229.
  10. ^ Lee, Myungjun; et al. (2010). "Estudio sistemático del diseño de una línea de retardo totalmente óptica basada en resonadores de anillo acoplados en cascada mejorados con dispersión de Brillouin" (PDF) . Journal of Optics A . 12 (10): 104012. arXiv : 1002.0084 . Bibcode :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) . Microwave and Optical Technology Letters . 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 a frecuencias de microondas" (PDF) . Applied Physics Letters . 98 (17): 1719079. Bibcode :2011ApPhL..98q1907S. doi :10.1063/1.3583521.
  13. ^ Tsakmakidis, KL; Hess, O.; Boardman, AD (2007). "Almacenamiento de luz en metamateriales mediante arcoíris atrapado". Nature . 450 (7168): 397–401. Bibcode :2007Natur.450..397T. doi :10.1038/nature06285. PMID  18004380. S2CID  34711078.
  14. ^ Zhu, Zhihua; et al. (2013). "Transparencia inducida por plasmones de banda ancha en metamateriales de terahercios". Nanotecnología . 24 (21): 214003. Bibcode :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". ScienceAlert . 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". Materials Today: Proceedings . 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). "El toque ligero podría impulsar las redes de fibra óptica". The Guardian . Consultado el 4 de abril de 2008 .
  18. ^ Krauss, Thomas F. (agosto de 2008). "¿Por qué necesitamos luz lenta?". Nature Photonics . 2 (8): 448–450. Bibcode :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 ajustable basada en acopladores contradireccionales asistidos por rejilla integrados". Photonics Research . 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". Optics Letters . 32 (8): 915–917. Bibcode :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". Physical Review A . 65 (2): 022314. arXiv : quant-ph/0106066 . Código Bibliográfico :2002PhRvA..65b2314F. doi :10.1103/PhysRevA.65.022314. ISSN  1050-2947. S2CID  54532771.
  22. ^ Renard, Maurice (1933). El maestro de la luz .
  23. ^ Evans, Arthur B. (noviembre de 1994). «La fantástica ciencia ficción de Maurice Renard». Science Fiction Studies . 21 (64) . Consultado el 23 de febrero de 2011 .
  24. ^ Pratchett, Terry (1983). El color de la magia . National Geographic Books. ISBN 9780552166591.
  25. ^ Shaw, Bob (1972). Otros días, otros ojos. Pan Books. ISBN 9780330238939.

Referencias