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(noticias nanowerk) Cuando la luz atraviesa un material, a menudo se comporta de manera impredecible. Este fenómeno es objeto de todo un campo de investigación llamado “óptica no lineal”, que ahora es una parte integral de los avances tecnológicos y científicos, desde el desarrollo del láser y la tecnología de medición de frecuencia óptica hasta la astronomía de ondas gravitacionales y la ciencia de la información cuántica.
Además, en los últimos años, la óptica no lineal se ha utilizado en el procesamiento de señales ópticas, telecomunicaciones, detección, espectroscopia, detección de luz y medición de distancias. Todas estas aplicaciones implican dispositivos miniaturizados que manipulan la luz de forma no lineal en un chip pequeño, lo que permite interacciones de luz complejas a escala de chip.
Ahora, un equipo de científicos de la EPFL y el Instituto Max Planck han llevado fenómenos ópticos no lineales a un microscopio electrónico de transmisión (TEM), un tipo de microscopio que utiliza electrones en lugar de luz para obtener imágenes. El estudio fue dirigido por el profesor Tobias J. Kippenberg de la EPFL y el profesor Claus Ropers, director del Instituto Max Planck de Ciencias Multidisciplinarias. Ahora está publicado en Ciencia (“Interacción de electrones libres con estados ópticos no lineales en microresonadores”).
El estudio se centra en los «solitones de Kerr», ondas de luz que conservan su forma y energía a medida que se mueven a través de un material, como una ola de surf perfectamente formada que viaja a través del océano. Este estudio utilizó un tipo específico de solitones de Kerr llamado «disipativo». Se trata de pulsos de luz estables y localizados que duran decenas de femtosegundos (una billonésima de segundo) y se forman espontáneamente en el microresonador. Los solitones disipativos de Kerr también pueden interactuar con los electrones, por lo que son cruciales para este estudio.
Los investigadores formaron solitones de Kerr disipativos en un microresonador fotónico, un pequeño chip que captura y hace circular la luz en una cavidad reflectante, creando las condiciones perfectas para estas ondas.
«Generamos varios patrones de luz espaciotemporales no lineales en el microresonador impulsado por un láser de onda continua», explica el investigador de la EPFL Yujia Yang, quien dirigió el estudio. «Estos patrones de luz interactuaron con un haz de electrones que pasaba por el chip fotónico, dejando huellas digitales en el espectro de electrones».
Específicamente, el enfoque demostró el acoplamiento entre electrones libres y solitones de Kerr disipativos, lo que permitió a los investigadores estudiar la dinámica de los solitones en la cavidad del microresonador y realizar una modulación ultrarrápida de haces de electrones.
“Nuestra capacidad para generar solitones de Kerr disipativos [DKS] en un TEM amplía el uso de peines de frecuencia basados en microresonadores a áreas inexploradas”, dice Kippenberg. «La interacción electrón-DKS podría permitir microscopía electrónica ultrarrápida y de alta tasa de repetición y aceleradores de partículas respaldados por un pequeño chip fotónico».
Ropers añade: “Nuestros resultados muestran que la microscopía electrónica podría ser una técnica poderosa para estudiar la dinámica óptica no lineal a nanoescala. Esta técnica no es invasiva y puede acceder directamente al campo dentro de la cavidad, lo cual es clave para comprender la física óptica no lineal y desarrollar dispositivos fotónicos no lineales”.
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