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Dec 08, 2023

Los fotones chocan entre sí en un espejo del tiempo

Por lo general, las ondas electromagnéticas se atraviesan entre sí sin ser vistas ni perturbadas. Conseguir que los haces de luz se fijen entre sí no es tarea fácil. Normalmente, los científicos deben convencerlos para que interactúen a través de

Por lo general, las ondas electromagnéticas se atraviesan entre sí sin ser vistas ni perturbadas. Conseguir que los haces de luz se fijen entre sí no es tarea fácil. Normalmente, los científicos deben convencerlos para que interactúen mediante materiales complejos. Ahora, físicos del Centro de Investigación Científica Avanzada de la Universidad de la Ciudad de Nueva York (CUNY) han diseñado una forma fundamentalmente nueva de hacer que los rayos de luz colisionen entre sí: reflejándolos a ambos en el mismo espejo en el tiempo. Al controlar la luz con luz, el equipo también mostró las capacidades de su técnica para dar forma a haces, con posibles aplicaciones en telecomunicaciones y mediciones científicas.

El equipo demostró su tecnología de espejo del tiempo en marzo, pero ahora han demostrado que dos pulsos de luz opuestos que golpean el mismo espejo del tiempo pueden colisionar entre sí, de manera muy parecida a los objetos masivos. Además, los investigadores pueden ejercer control sobre el tipo de colisión que se produce. Los investigadores informan que los pulsos de luz pueden colisionar elásticamente, como dos bolas de billar que rebotan entre sí; inelásticamente, como dos piezas de Silly Putty que se golpean y se pegan; o constructivamente, como dos bolas con mecanismos accionados por resorte que se dispararon por la colisión y se separaron más rápido de lo que se juntaron.

“Puedes decidir si la energía total del sistema disminuye, crece o permanece igual”.—Andrea Alù, CUNY

"Las llamamos colisiones de fotones porque nos recuerdan cómo interactúan dos objetos masivos cuando chocan entre sí", dice Andrea Alù, distinguido profesor de física en CUNY y autor principal del estudio. "Lo destacable de esta interfaz de tiempo es que si eliges el instante en el que lo conduces, puedes decidir si la energía total en el sistema disminuye, crece o permanece igual".

Para crear su espejo del tiempo, el equipo utilizó un metamaterial especialmente diseñado. Un espejo regular se forma por un cambio abrupto en el índice de refracción entre dos materiales, lo que hace que la luz se refleje en la interfaz. De manera similar, un espejo del tiempo se forma mediante un cambio abrupto en el índice de refracción, pero en el tiempo. La luz reflejada en el tiempo sigue viajando en la misma dirección, pero hacia atrás, como una grabación de sonido reproducida al revés.

Este chip metamaterial es capaz de crear un espejo del tiempo para las ondas de luz que lo atraviesan, permitiendo que dos ondas de luz choquen entre sí. Shawn Rhea/Centro de Investigación Científica Avanzada CUNY

Los investigadores lograron este espejo temporal utilizando una línea de transmisión serpenteante de 6 metros de largo impresa en un chip. Conectaron muchos interruptores, conectaron condensadores entre la línea de transmisión y el suelo cada 20 centímetros, más cerca entre sí que una longitud de onda de la luz. Al encender o apagar estos condensadores, podrían cambiar el índice de refracción del material en tan solo 3 nanosegundos. "De repente, la ola se siente como si estuviera en un medio completamente diferente", dice Alù.

Enviaron pulsos de luz entre sí desde ambos extremos de la línea de transmisión y cambiaron el índice de refracción en diferentes momentos. Al cambiar el grado de superposición de los dos haces de luz durante el cambio, se podría cambiar la naturaleza de la colisión: elástica, inelástica o constructiva.

Es más, al elegir la forma de uno de los haces de luz y el momento del cambio, los investigadores pudieron remodelar efectivamente el otro haz para adaptarlo a sus necesidades. Demostraron borrar una sección de una señal luminosa y acortar un pulso. Dado que la interfaz de tiempo funciona para una amplia gama de frecuencias, este método se puede utilizar para dar forma a la luz de banda ancha; Es muy útil para comunicaciones inalámbricas. La capacidad de transformar la luz en ráfagas cada vez más cortas también es muy prometedora para aplicaciones de detección y medición.

Actualmente, el equipo está trabajando para ampliar este método a los regímenes de luz visible y luz infrarroja. Esperan que el efecto de interacción de las ondas persista en una amplia gama de entornos. “En principio, se podría matar un tsunami [magnético] utilizando esta técnica. Te llega un tsunami y luego envías una ola en su contra”, dice Alù. “Por supuesto, hay que darle la forma adecuada. Y tienes que hacer que esta transición suceda, pero puedes suprimir por completo las olas que vienen hacia ti”.

Además de sus posibles aplicaciones en telecomunicaciones, esta técnica encierra grandes promesas científicas. Aplicar el espejo del tiempo muchas veces en ritmo podría usarse para crear un cristal del tiempo. Actualmente, el equipo también está analizando las posibles propiedades cuánticas de estas interfaces temporales y el destino de los fotones individuales que chocan a través de ellas.