El trabajo del doctor Julien Javaloyes, publicado en Physical Review Letters, aporta las primeras evidencias teóricas de este fenómeno  

Durante décadas, los investigadores que trabajan en el campo de la física óptica han intentado demostrar la existencia de las conocidas como balas de luz (light bullets) estables, que serían pulsos de energía electromagnética que podrían ser confinados en  las tres dimensiones del espacio y en el tiempo, sin disiparse o colapsarse.  Ahora, un investigador de la Universidad de las Illes Balears, el doctor Julien Javaloyes, ha aportado las primeras evidencias teóricas de la existencia de este fenómeno en cavidades de láseres de semiconductor. Su trabajo, publicado recientemente en la revista científica internacional Physical Review Letters, supone un importante paso adelante en el campo de la física óptica, que podría abrir el camino para futuras realizaciones experimentales.

El reto de las balas de luz

Cuando un medio material interactúa con un campo electromagnético, puede modificarlo mediante la creación de una polarización inducida. Esencialmente, la respuesta de un material a la excitación de la luz puede depender de ella de manera proporcional (es decir lineal) o bien no lineal. Un efecto bien conocido de la óptica lineal es el efecto arco iris donde el material (en este caso el vapor de agua) modifica ligeramente la velocidad de las ondas en función del color, lo que tiende a separarlas. Este fenómeno en el cual el azul no viaja a la misma velocidad que el rojo, se llama dispersión cromática.

Aunque estos efectos lineales son conocidos desde la antigüedad, los efectos no lineales empezaron a estudiarse en los años sesenta. De hecho, estos últimos fenómenos pueden ocurrir solo con campos electromagnéticos de alta intensidad así que los experimentos de óptica no lineal no podían llevarse a cabo hasta la aparición de la tecnología láser. Esencialmente, varias ondas de luz pueden interactuar entre ellas a través de un material si son suficientemente intensas.

La óptica no lineal ha revolucionado muchos campos de conocimiento como la medicina o las telecomunicaciones, incluyendo el desarrollo de las líneas de comunicación de larga distancia basadas en el concepto de solitón temporal: una sola fibra óptica de este tipo puede soportar un flujo de datos de un terabit (un billón de bits por segundo) permitiendo un enorme progreso en términos de densidad y calidad de transmisión de la señal. Un solitón temporal, como portador de un bit de información, es un pulso electromagnético ultra-corto, del orden de unos pocos picosegundos. Este último, estando compuesto por la superposición de un gran número de ondas de colores ligeramente diferentes se conoce también como paquete de ondas, y es a través de la compensación entre las interacciones no lineales y de la dispersión cromática que estos paquetes de ondas pueden viajar a través de las fibras ópticas sin dispersarse. Es casi como si las olas no se deformaran a lo largo de su propagación. Por analogía, hay también solitones espaciales no difractivos, es decir resistentes, a través de las interacciones no lineales, a la dispersión transversal a su dirección de propagación.

En teoría, uno puede imaginar solitones espacio-temporales, o balas de luz, que serían confinados en el espacio y en el tiempo. Sin embargo, se ha demostrado que estos fenómenos de confinamiento auto-organizado como resultado de un equilibrio entre fuerzas opuestas llegan a ser demasiado difíciles de mantener en tres dimensiones, lo que provoca la inestabilidad y el colapso de las balas de luz. Otros escenarios fueron desarrollados para permitir que la luz se auto-organizase a través de materiales disipativos forzados, tales como los semiconductores, que tienen además un fuerte potencial tecnológico y aplicativo. Podrían, por ejemplo, permitir el desarrollo de sistemas de comunicación todo ópticos (all optical). Sin embargo, se demostró que en estos sistemas fuera de equilibrio, la dinámica temporal del semiconductor inducía también un colapso de las balas de luz. Así, la búsqueda del confinamiento total de la luz se abandonó parcialmente en estos últimos años, en parte debido al hecho que todas las predicciones teóricas realistas concluyeron que era imposible.

En el trabajo publicado en Physical Review Letters, el  doctor Julien Javaloyes, miembro del grupo de investigación en Ondas No Lineales de la Universidad de las Illes Balears, proporciona evidencias de la existencia de balas de luz confinadas en tres dimensiones, estables, en un sistema de láseres de semiconductores. Apartándose de los criterios anteriores, el trabajo del investigador de la UIB describe un tipo totalmente nuevo de balas de luz de tres dimensiones que es esencialmente un objeto con múltiples escalas temporales. Además, la simetría de fase de estas balas de luz les otorga propiedades adicionales y, por ejemplo, la posibilidad de codificar una carga topológica en su frente de fase.

Referencia bibliográfica 

Javaloyes, J. «Cavity Light Bullets in Passively Mode-Locked Semiconductor Lasers». Physical Review Letters, 116, 4, 29 de enero de 2016. DOI: 10.1103/PhysRevLett.116.043901 

Fecha del evento: 23/05/2016

Fecha de publicación: 23/05/2016