Serpientes fotónicas, un nuevo instrumento para desvelar los secretos de la luz

La luz, con sus innumerables colores, es una de las maravillas de la naturaleza. Para comprender realmente lo que vemos es esencial conocer el color de la luz con la que percibimos nuestro mundo: lo logramos a través de unas reglas ópticas denominadas peines de frecuencia (frequency combs en inglés), cuya primera realización mereció el premio Nobel de Física en el año 2005.

Con las reglas ópticas se miden, no sólo colores, sino también tiempos, distancias y otras magnitudes esenciales; de ahí que su importancia en aplicaciones científicas y tecnológicas sea enorme. Son las herramientas que permiten adentrarse en el reino de la luz y desvelar sus secretos más profundos.

Esto es, precisamente, lo que permite un reciente estudio liderado por la Universitat Politècnica de València (UPV), la Universitat Politècnica de Catalunya - Barcelona Tech (UPC), el Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) y el Instituto de Espectroscopia de la Academia Rusa de Ciencias (Moscú).

En su trabajo, publicado en la revista de investigación científica Nature Photonics, han descubierto lo que han llamado estados de serpiente fotónica (Photonic snake states), un nuevo instrumento para desentrañar los secretos de la luz.

Este estudio abre perspectivas inéditas en la formación de los peines de frecuencia: predice la existencia de reglas ópticas bidimensionales, más complejas que las unidimensionales manejadas hasta ahora y que brindan una versatilidad sin precedentes en una amplia gama de aplicaciones.

Múltiples aplicaciones

Las utilidades de los peines de frecuencia son muy variadas, y destacan sobre todo en el campo de las comunicaciones. Según explican los autores del estudio, estos peines permiten transmitir grandes cantidades de información a través de fibras ópticas de manera muy eficiente ya que, al tener las frecuencias bien definidas, se pueden enviar múltiples señales de luz al mismo tiempo y separarlas fácilmente cuando se reciben.

Otra área en la que los frequency combs han demostrado gran utilidad es en la espectroscopia. Al poder obtener espectros ópticos con una precisión y resolución sin precedentes, se facilita la identificación de diferentes sustancias. Esto tiene aplicación directa en campos como la química, la biología y la medicina, donde la detección precisa de moléculas y la caracterización de materiales es fundamental.

Para el caso de la metrología, la ciencia de la medición, estas estructuras se utilizan como referencia para definir estándares, gracias a su capacidad para generar frecuencias estables y conocidas. Esto permite realizar mediciones muy precisas en magnitudes fundamentales, como el tiempo o la longitud, relevantes para la mayoría de los campos científicos.

Por último, los peines de frecuencia también han encontrado aplicaciones prometedoras en la computación cuántica, donde las partículas de luz (o fotones) juegan un papel fundamental. En concreto, los peines de frecuencia pueden utilizarse para generar fotones individuales con propiedades específicas, lo que es crucial para el desarrollo de estas tecnologías.

El futuro de las reglas ópticas

Un problema fundamental que hay que analizar para tener éxito en estas propuestas es el de las inestabilidades que aparecen cuando se intenta construir estas reglas ópticas y que impiden generar formas de luz versátiles.

Como indica Pedro Fernández de Córdoba, investigador del Instituto Universitario de Matemática Pura y Aplicada (IUMPA) de la UPV y coautor de este trabajo, "hay que destacar que nuestro equipo ha obtenido, desde un punto de vista teórico, las condiciones para que la estructura de luz sea estable, encontrando configuraciones en forma de zig-zag que hemos llamado Serpientes Fotónicas. La estabilidad de estos estados de luz es un aspecto crucial para las aplicaciones futuras".

Asimismo, en este artículo se ha demostrado que es posible crear una disposición bidimensional de reglas ópticas sincronizadas entre sí y accesibles individualmente. Este descubrimiento proporciona una amplia colección de reglas generadas en un único dispositivo y controladas por una sola fuente de luz láser.

De hecho, como manifiesta Carles Milián, responsable de esta investigación: "el potencial impacto de este avance es extraordinario, puesto que podría permitir el desarrollo de dispositivos monolíticos multipeine reconfigurables y de banda ancha. Estos dispositivos suministrarían diferentes peines de frecuencia bajo demanda y en tiempo real, ampliando significativamente las aplicaciones existentes".

Por último, este estudio se ha basado en modelos teóricos rigurosos y muy completos, que han tenido en cuenta todos los efectos conocidos que pudieran aparecer en los futuros experimentos de formación de peines de frecuencia bidimensionales, y que han sido simulados mediante potentes herramientas teóricas y numéricas.

De hecho, como apunta Alberto Conejero, director del Departamento de Matemática Aplicada de la UPV y coautor de este trabajo, "en esta investigación se ha construido un modelo muy preciso que incluye todos los fenómenos que pueden influir en la formación de estas estructuras. Funcionará como una guía para los experimentos del futuro, con el consiguiente impacto económico al conocer de antemano los parámetros experimentales con los que se pueden generar serpientes de luz estables".

Hito científico

Este descubrimiento marca un hito en la física de estas estructuras y facilita el camino hacia un "apasionante futuro de dispositivos ópticos avanzados". Para Lluís Torner, director del ICFO, "este importante descubrimiento es remarcable por ser inesperado y sorprendente, y ha sido posible gracias a la intuición y liderazgo del profesor Milián".

El equipo de la UPV, la UPC y el ICFO asegura que este hallazgo estimulará aún más la investigación en el campo y dará lugar a nuevas aplicaciones y tecnologías revolucionarias. "Gracias a estos avances, estamos un paso más cerca de desentrañar los misterios de la luz y aprovechar todo su potencial en beneficio de nuestra sociedad", concluyen.

Referencia:

Ivars, Salim B.; et al. "Photonic snake states in two-dimensional frequency combs". Nature Photonics (2023)

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