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Físicos descubren una nueva propiedad de la luz


Un equipo internacional de físicos ha predicho teóricamente y ha generado experimentalmente haces de luz con una nueva propiedad; rayos ultravioleta extremos con momento angular orbital variable en el tiempo. El descubrimiento podría ayudarnos a comprender la física en los agujeros negros binarios, así como a controlar la dinámica en moléculas y nanoestructuras.

Los haces de luz transportan tanto energía como impulso, que puede ejercer una presión pequeña, pero detectable, sobre los objetos que iluminan.

En 1992, se observó que la luz también puede poseer un Momento Angular Orbital (OAM, por sus siglas en inglés) cuando la forma espacial del haz de luz gira, o se retuerce, alrededor de su propio eje. Aunque no es visible a simple vista, la presencia del Momento Angular Orbital se puede revelar cuando el haz de luz interactúa con la materia.

Los haces OAM están permitiendo nuevas aplicaciones en comunicaciones ópticas, microscopía, óptica cuántica y manipulación de micropartículas. Sin embargo, hasta la fecha todos los haces de Momento Angular Orbital, también conocidos como haces de vórtice, han sido estáticos; es decir, el Momento Angular Orbital no varía en el tiempo.

El estudio
Para realizar una propiedad de luz completamente nueva, manifestado como un Momento Angular Orbital que varía con el tiempo a lo largo del pulso de la luz, el físico Kevin Dorney de JILA, la Dra. Laura Rego de la Universidad de Salamanca y sus colegas de investigación explotaron la física cuántica inherente al proceso de Generación de Armónicos Altos (HHG, por sus siglas en inglés).

La Generación de Armónicos Altos es un proceso no lineal durante el cual un objetivo (gas, plasma o muestra sólida) se ilumina con un pulso de láser intenso. En tales condiciones, la muestra emitirá los armónicos altos del haz de generación. Debido a la naturaleza coherente del proceso, la generación de armónicos altos es un requisito previo de la atofísica.

"Para crear esa Generación de Armónicos Altos con luz, al crear esencialmente una antena de radiación a nanoescala de un átomo que está en proceso de ionización; un impulso intenso de láser de femtosegundo se eleva a frecuencias altas del láser de conducción", explicaron los científicos.

"Cuando se ajustan adecuadamente las fases, se pueden generar rayos brillantes y coherentes, similares a los de un láser, que abarcan desde el rango del ultravioleta extremo hasta las regiones de rayos X suaves del espectro electromagnético".

"El proceso de Generación de Armónicos Altos es coherente, lo que significa que debe conservar tanto la energía como el impulso, durante el proceso de conversión ascendente, que es el secreto para crear haces de luz ultravioleta extremo auto-torqueados".

Torque
En mecánica newtoniana, se denomina momento de una fuerza (respecto a un punto dado) a una magnitud vectorial, obtenida como producto vectorial del vector, de posición del punto de aplicación de la fuerza por el vector fuerza, en ese orden.

Ocasionalmente recibe el nombre de torque a partir del término inglés (torque), derivado a su vez del latín torquere (retorcer).

El descubrimiento
Este avance demostró que la luz ultravioleta extrema producida a través del proceso de Generación de Armónicos Altos puede poseer un Momento Angular Orbital dependiente del tiempo.

Y al hacerlo, descubrieron el auto-torque de luz, que es como una llave que se acelera a medida que aprieta un perno. Sin embargo, esta llave está compuesta de fotones y gira más rápido que un electrón que orbita un núcleo de hidrógeno.

"Normalmente, cuando el proceso de Generación de Armónicos Altos se maneja con un rayo láser 'rosquilla', las reglas de conservación dictan que cada armónico tiene un Momento Angular Orbital, igual al número de armónicos multiplicado por el Momento Angular Orbital del láser de conducción", dijo Dorney.

"Sin embargo, si conducimos el proceso de Generación de Armónicos Altos con un par de pulsos de láser retardados que poseen un Momento Angular Orbital diferente, entonces las cosas se ponen realmente interesantes".

"El par de pulsos retrasado en el tiempo da como resultado la emisión de luz ultravioleta extrema con un Momento Angular Orbital variable en el tiempo, que progresa suavemente a través de una octava de estados OAM".

"A medida que el contenido del Momento Angular Orbital varía dinámicamente a lo largo del pulso ultravioleta extremo, el haz de luz continúa acelerando y, por lo tanto, posee un auto-torque".

Crédito de la imagen: Kevin Dorney, JILA.

Referencia del documento científico:
Laura Rego et al. 2019. Generación de rayos ultravioleta extremos con momento angular orbital variable en el tiempo. Science 364 (6447): eaaw9486; doi: 10.1126 / science.aaw9486

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