(noticias nanowerk) Investigadores de la Facultad de Física de la Universidad de Varsovia superpusieron dos haces de luz girados en el sentido de las agujas del reloj para generar rotaciones en el sentido contrario a las agujas del reloj en las zonas oscuras de la superposición resultante. Los resultados de la investigación fueron publicados en la revista. óptica (“Flujo de retorno azimutal en luz con momento angular orbital”). Este descubrimiento tiene implicaciones para el estudio de las interacciones entre la luz y la materia y representa un paso hacia la observación de un fenómeno especial conocido como reflujo cuántico.
Las tesis centrales
Investigación
“Imagínese lanzar una pelota de tenis. La pelota comienza a avanzar con impulso positivo. Si la pelota no choca contra ningún obstáculo, es poco probable que cambie repentinamente de dirección y regrese hacia ti como un boomerang”, señala Bohnishikha Ghosh, estudiante de doctorado de la Facultad de Física de la Universidad de Varsovia. «Por ejemplo, si haces girar una pelota como esta en el sentido de las agujas del reloj, también esperarías que continúe girando en la misma dirección».
Sin embargo, todo se complica cuando en la mecánica cuántica se trata de partículas en lugar de una bola. “En la mecánica clásica, un objeto tiene una posición conocida. En mecánica y óptica cuánticas, sin embargo, un objeto puede estar en lo que se conoce como superposición, lo que significa que una determinada partícula puede estar en dos o más posiciones al mismo tiempo”, explica el Dr. Radek Lapkiewicz, director del Laboratorio de Imágenes Cuánticas de la Facultad de Física de la Universidad de Varsovia. Las partículas cuánticas pueden comportarse exactamente de la manera opuesta a la pelota de tenis mencionada anteriormente: potencialmente pueden moverse hacia atrás o girar en la dirección opuesta durante ciertos períodos de tiempo. “Los físicos llaman a este fenómeno reflujo”, explica Bohnishikha Ghosh.
Reflujo en óptica
El reflujo en sistemas cuánticos aún no se ha observado experimentalmente. En cambio, se logró con éxito el aspecto clásico con rayos de luz. El trabajo teórico de Yakir Aharonov, Michael V. Berry y Sandu Popescu investigó la conexión entre el reflujo en la mecánica cuántica y el comportamiento anómalo de las ondas ópticas a escalas locales. Y. Eliezer et al. Observó el reflujo óptico sintetizando un frente de onda complejo. Posteriormente, en el grupo del Dr. Radek Lapkiewicz Dr. Anat Daniel et al. han demostrado este fenómeno en una dimensión utilizando la simple interferencia de dos haces.
«Lo que me fascina de este trabajo es que rápidamente te das cuenta de lo extrañas que se vuelven las cosas cuando te adentras en el ámbito de las mediciones locales», dice el Dr. Anat Daniel.
«En nuestro estudio superpusimos dos haces de luz girados en el sentido de las agujas del reloj y observamos localmente rotaciones en el sentido contrario a las agujas del reloj», explica el Dr. Lapkiewicz.
Para observar el fenómeno, los investigadores utilizaron un sensor de frente de onda Shack-Hartman. El sistema, que consta de un conjunto de microlentes colocado delante de un sensor CMOS (semiconductor de óxido metálico complementario), proporciona una alta sensibilidad para mediciones espaciales bidimensionales.
“Examinamos la superposición de dos haces que portaban sólo un momento angular orbital negativo y observamos un momento angular orbital local positivo en la región oscura del patrón de interferencia. Se trata del reflujo azimutal”, afirma Bernard Gorzkowski, estudiante de doctorado en el Laboratorio de Imágenes Cuánticas de la Facultad de Física.
Vale la pena señalar que los rayos de luz con dependencia de fase azimutal (espiral) que transportan un momento angular orbital fueron descritos por primera vez por Marco Beijersbergen et al. fueron generados. experimental en 1993 con lentes cilíndricas. Desde entonces, se han utilizado en muchos campos, por ejemplo en la microscopía óptica o en las pinzas ópticas, una herramienta para la manipulación integral de objetos a micro y nanoescala, cuyo creador Arthur Ashkin fue galardonado con el Premio Nobel de Física en 2018. Actualmente se utilizan pinzas ópticas para investigar las propiedades mecánicas de las membranas celulares o de las cadenas de ADN o las interacciones entre células sanas y cancerosas.
Cuando los físicos interpretan a Beethoven
Como subrayan los científicos, los datos actuales pueden interpretarse como superoscilaciones en fase. La conexión entre el reflujo en la mecánica cuántica y las superoscilaciones en las ondas fue descrita por primera vez en 2010 por el profesor Michael Berry, físico de la Universidad de Bristol.
La superoscilación es un fenómeno que se refiere a situaciones en las que la oscilación local de una superposición es más rápida que su componente de Fourier más rápida. Fue predicho por primera vez en 1990 por Yakir Aharonov y Sandu Popescu, quienes descubrieron que combinaciones específicas de ondas sinusoidales producen regiones de la onda colectiva que fluctúan más rápido que cualquiera de los componentes.
Michael Berry ilustró el poder de la superoscilación en su artículo «Más rápido que Fourier» mostrando que, en principio, es posible tocar la Novena Sinfonía de Beethoven combinando sólo ondas sonoras con frecuencias inferiores a 1 hercio, frecuencias tan bajas que no se escucharían. por un ser humano humano. Sin embargo, esto es muy poco práctico porque la amplitud de las ondas en las regiones de superoscilación es muy pequeña.
«El reflujo que presentamos es una manifestación de cambios rápidos de fase que podrían ser importantes para aplicaciones que involucran interacciones entre la luz y la materia, como trampas ópticas o el desarrollo de relojes atómicos ultraprecisos», dice Bohnishikha Ghosh. Además, la publicación del grupo de la Facultad de Física de la Universidad de Varsovia es un paso hacia la observación del reflujo cuántico en dos dimensiones, que en teoría ha demostrado ser más robusto que el reflujo unidimensional.
