La luz se curva por sí misma

Cualquier estudiante de física sabe que la luz viaja en línea recta. Pero ahora, los investigadores han demostrado que la luz también puede viajar formando una curva, sin necesidad de ninguna influencia externa. El efecto es en realidad una ilusión óptica, aunque los investigadores dicen que podría tener usos prácticos, tales como mover objetos a distancia usando la luz.

Es un fenómeno conocido que la luz se curva. Cuando un rayo de luz pasa del aire al agua, por ejemplo, da un brusco giro: por eso es por lo que un palo introducido en un estanque parece inclinarse hacia la superficie. En el espacio, los rayos de luz que pasan cerca de objetos muy masivos, tales como estrellas, se ven como si viajasen a lo largo de curvas. En cada ejemplo, la curvatura de la luz tiene una causa externa: para el agua es el cambio en una propiedad óptica conocida como índice de refracción, y para las estrellas, es la naturaleza curvada de la gravedad.

Luz curvada © F. Courvoisier y J. M. Dudley

Que la luz se curve por sí misma, sin embargo, es algo inaudito – o casi. A finales de la década de 1970, los físicos Michael Berry de la Universidad de Bristol en el Reino Unido, y Nandor Balazs de la Universidad Estatal de Nueva York en Stony Brook, descubrieron que una forma de onda conocida como Airy, una onda que describe cómo se mueven las partículas cuánticas, puede a veces curvarse una pequeña cantidad. El trabajo fue ignorado en gran parte hasta 2007, cuando Demetri Christodoulides y otros físicos de la Universidad de Florida Central en Orlando generaron versiones ópticas de las ondas Airy manipulando luz láser, y encontraron que el haz resultante se curvaba ligeramente cuando cruzaba un detector.

¿Cómo funciona esta autocurvatura? La luz es una maraña de ondas cuyos picos y valles pueden interferir entre sí. Por ejemplo, un pico que pase a través de un valle cancela a ambos para crear oscuridad; un pico que pasa por otro pico “interfiere de manera constructiva” para crear un punto brillante. Ahora, imagina la luz emitida desde una banda ancha – por ejemplo un tubo flourescente o, mejor aún, un láser cuya emisión ha sido expandida. Controlando cuidadosamente la posición inicial de los picos de las ondas – la fase de las mismas – en cada paso a lo largo de la banda es posible hacer que la luz que viaja hacia fuera interfiera constructivamente en sólo los puntos de una curva, y se cancele en el resto. La función Airy, que contiene oscilaciones rápidas pero que se apagan pronto, demostró ser una forma fácil de definir esas fases iniciales – excepto que la luz resultante estaría curvada sólo unos 8º.

Ahora, los físicos Mordechai Segev y sus colegas del Instituto de Tecnología Technion en Haifa, Israel, dicen tener la receta para hacer que la luz se curve por sí misma a lo largo de cualquier ángulo, incluso formando un círculo completo. El problema con la función Airy, dice Segev, es que la forma de sus oscilaciones especifica las fases correctas sólo en pequeños ángulos; para ángulos mucho mayores de 8°, la forma se convierte en una aproximación basta. Por lo que su grupo se centró en las ecuaciones de Maxwell, el cuarteto de fórmulas matemáticas de 150 años de antigüedad que describen la propagación de ondas electromagnéticas como la luz. Tras un laborioso trabajo matemático y de intuición, los investigadores encontraron soluciones a las ecuaciones de Maxwell que describen con precisión las fases iniciales requeridas para una auténtica autocurvatura de la luz, como describen esta semana en la revista Physical Review Letters.

“La función Airy es una solución para un caso aproximado”, dice Segev. “Si quieres [curvar] a lo largo de ángulos mayores, [la solución] debe tener la forma apropiada. Se pensaba que no había una forma adecuada, que la solución siempre sería una aproximación – pero hemos demostrado que esto era incorrecto”.

El trabajo del grupo de Segev podría haberse mantenido en el marco teórico, pero por coincidencia, un grupo liderado por John Dudley en el Universidad Franche-Comté en Besançon, Francia, ha estado realizando sus propios experimentos de autocurvatura de la luz. Modificando la función Airy ya existente, el grupo de Dudley logró encontrar valores de fase inicial que encajan con la solución del grupo israelí, incluso aunque no eran conscientes de ella. Usando un dispositivo conocido como modulador espacial de luz para pre-ajustar la fase de un haz expandido de luz láser, el grupo francés encontró que la luz resultante se autocurvaba hasta 60º, como informarán a finales de este mes enOptics Letters.

La autocurvatura de la luz podría dar un nuevo giro a las pinzas ópticas. Estos dispositivos, que se desarrollaron en la década de 1980, usan la fuerza creada por una intensa luz láser para mantener microscópicos objetos en mitad del aire. Segev cree que reemplazando los haces láser por luz autocurvada, los investigadores podrían forzar a los objetos atrapados a viajar a lo largo de complejos caminos sin necesidad de tocarlos. Haciendo esto, la luz curvada podría mover selectivamente células fuera de una muestra biológica – algo de gran provecho para los bioingenieros.

El físico Pavel Polynkin de la Universidad de Arizona en Tucson sugiere otra aplicación: abrir un agujero curvado a través de un material, lo cual sería imposible con un láser normal. Pero, a pesar de tales aplicaciones, señala que la propia luz realmente no se curva, sólo parece hacerlo por la forma en que se alinean los puntos brillantes de interferencia. De hecho, dice, la mayor parte de la energía de la luz no va hacia la curva brillante, sino hacia las áreas oscuras que han sido canceladas. “No estoy disputando la relevancia científica del artículo”, añade. “Informa de una importante contribución… [Pero] no se ha violado ninguna ley fundamental de la física por el momento – y eso es algo bueno, en mi opinión”.

Fuente: Ciencia Kanija - Science Now