Cómo medir la velocidad de un objeto móvil ultralento

Dibujo21030906 two-beam interaction in a slow-light medium - optics letters - optics infobase org

El cartomago argentino René Lavand siempre repite que “no se puede hacer más lento.” El efecto Doppler permite medir de forma remota la velocidad de un cuerpo en movimiento gracias a la luz que refleja (es lo que hacen las pistola de radar de la policía), pero para un cuerpo ultralento el cambio en frecuencia es minúsculo. Se publica en Optics Letters un método capaz de medir una velocidad de una billonésima de metro por segundo, al detectar corrimientos Doppler menores de 1 µHz con un tiempo de integración de sólo un segundo. El secreto es combinar un “medio de luz lenta” (usan un cristal líquido) y un interferómetro. La luz de un láser se separa en dos haces, uno que incide en el medio de luz lenta y otro que se refleja en el objeto móvil para luego entrar en dicho medio; comparando la frecuencia de ambos haces de luz una vez fuera del medio se logra medir su diferencia en frecuencia con gran precisión. El artículo técnico es Umberto Bortolozzo, Stefania Residori, John C. Howell, “Precision Doppler measurements with steep dispersion,” Optics Letters 38: 3107-3110, 2013. Más información en Angela Stark, Lyndsay Meyer, “Researchers Slow Light to a Crawl in Liquid Crystal Matrix,” OSA News, Aug 13, 2013.

Dibujo20130906 experimental setup two-beam coupling in liquid crystal light-valve - optics letters

Un medio de luz lenta es un medios óptico cuya curva de dispersión presenta grandes picos. Hay muchos fenómenos físicos que presentan esta propiedad, como la transparencia inducida electromagnéticamente (EIT) en átomos fríos, las oscilaciones coherentes de la población de electrones (CPO) en sólidos, la dispersión estimulada de Brioullin (SBS) y Raman (SRS) en fibras ópticas, o la mezcla de cuatro ondas (FWM) en cristales líquidos nemáticos (usados en el nuevo trabajo). Estos medios se caracterizan por el retraso de la velocidad de grupo que logran; cuanto mayor es este retraso mayor es la sensibilidad a los desplazamientos por efecto Doppler de la nueva técnica. El mínimo desplazamiento Doppler que se puede medir es de 900 nHz, valor limitado por el ruido asociado a la electrónica y óptica utilizada (el llamado “photon shot noise”).

Dibujo20130906 nematic liquid crystal as slow-light medium - optics express

En cristales líquidos nemáticos se puede reducir la velocidad de grupo de un pulso de luz a sólo 1 mm/s (milímetro por segundo); recuerda que la velocidad (de fase) de la luz en el vacío es de 299.792.458.000 mm/s (casi 300 mil millones de veces más grande). La gran ventaja de los cristales líquidos nemáticos es que trabajan a temperatura ambiente y que su longitud se puede hacer grande (permitiendo almacenar (o retrasar) pulsos de luz durante 160 ms). El artículo técnico es D. Wei, U. Bortolozzo, J. P. Huignard, S. Residori, “Slow and stored light by photo-isomerization induced transparency in dye doped chiral nematics,” Optics Express 21: 19544-19554, 2013 [recuerda que OE es open access].

Dibujo20130906 measured voltage as function of doppler shift - gray region is photon shot noise - optics letters

Los cristales líquidos nemáticos (similares a los usados en una televisión LCD o en una pantalla de ordenador) tienen una gran ventaja en óptica no lineal, ya que permiten lograr efectos no lineales con potencias ópticas muy bajas. Por ello son ideales para quienes trabajamos en solitones (se llaman nematicones en cristales líquidos) y nos gusta que sea un campo con grandes posibilidades tecnológicas (como en este caso en teledetección y en almacenamiento óptico), aunque nos dediquemos a hacer investigación básica (analogías onda-partícula aplicadas a nematicones en potenciales efectivos).