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.

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Detener un rayo de luz mediante un cristal no lineal (o pulsos y velocidad de grupo)

 

La luz viaja a la velocidad de la luz en el vacío (siempre a la misma velocidad lo que da fundamento a la Teoría de la Relatividad Especial). Sin embargo, en un medio “transparente”, la luz viaja a una velocidad menor (en función de su índice de refracción). ¿Puede llegar a detenerse? ¿Puede llegar a “reflejarse” hacia atrás? En un cristal no lineal sí es posible, como nos recuerda Diederik Sybolt Wiersma, “Optics: Light reined in,” Nature 452, 942-944, 24 April 2008 . Este tipo de materiales tiene un gran número de aplicaciones prácticas potenciales en optoelectrónica y tecnologías afines.

T. V. Shubina et al. “Resonant Light Delay in GaN with Ballistic and Diffusive Propagation,” Phys. Rev. Lett. 100, 087402, 2008, han mostrado como “casi” detener la luz en nitruro de galio (GaN). Este semiconductor permite emitir luz azul y se puede dopar fácilmente con impurezas, siendo mecánicamente robusto incluso a altas temperaturas, por lo que se usa habitualmente en los diodos láser azules que podemos encontrar en los discos de almacenamiento Blu-ray de alta densidad (de Sony, que ha ganado la batalla contra el HD-DVD de Toshiba).

La razón de que se pueda “detener” la luz en un cristal es que los pulsos ópticos están formados por una superposición de muchos fotones de longitudes de onda (colores puros) distintos. La velocidad con la que se propaga el pulso en el medio es la velocidad de grupo o velocidad de la envolvente del pulso. Dentro del pulso, cada fotón se propaga a su propia velocidad de fase, que viene determinada por el índice de refracción del material. Sea w(k) la relación de dispersión que determina con qué velocidad se propagan las fotones de diferentes colores (números de onda, k). Sus velocidadesd de fase serán w(k)/k. La velocidad de grupo del pulso o paquete de ondas o de la envolvente es la derivada  de la dispersión w'(k)=dw(k)/dk.

En medio con mucha dispersión, donde w(k) cambia mucho con cambios de k, la envolvente del pulso cambia de forma y el pico (máxima amplitud) de la envolvente puede “aparentar” propagarse a una velocidad mayor que la velocidad de la luz en el vacío, o a una velocidad mucho más pequeña, incluso llegar a pararse. Por supuesto, la velocidad de la información (relacionada con la “energía”) propagada por el pulso nunca puede propagarse a mayor velocidad que la luz en el vacío.

En el experimento de Shubina et al., ver la ilustración arriba, la propagación dispersiva del pulso en GaN hace que el frente delantero del pulso se reduzca (ver las flechas) y el frente trasero  crezca (ver también las flechas), con lo que el pico o máxima amplitud de la envolvente se puede conseguir que permanezca prácticamente en reposo. Ello gracias a interacciones resonantes entre las moléculas del material y la luz a ciertas frecuencias específicas. ¿Dónde se va la energía que se acumula cuando el pulso se “detiene”? Se consume en la interacción con los electrones del material, que pasan a estados excitados, se crean “excitones” que termporalmente almacenan la energía óptica. La interacción resonante ocurre sólo para las frecuencias de luz que exactamente coinciden con las frecuencias de los excitones.

Las aplicaciones prácticas de esta tecnología, todavía en pañales, son muy prometedoras. Por ejemplo, se podría crear memorias ópticas (de corta vida) como las DRAM de silicio, que requieren refresco. Junto con guías de onda de cristal fotónico (estructuras microestructuradas con agujeros) se podría diseñar circuitería fotónica para computación completamente óptica, sin mediar, dispositivo  electrónico alguno, que podría sustituir en ciertas aplicaciones a las tecnologías actuales basadas en Silicio. ¡Adiós Silicon Valley! ¡Bienvenido Gallium Valley!