Normalmente, cuando se habla de la interacción láser con la materia, sólo se tiene en cuenta el campo eléctrico asociado a dicha radiación electromagnética. En parte, esto ocurre porque las excitaciones inducidas por el campo magnético son órdenes de magnitud inferiores a aquellas asociadas al campo eléctrico. Sin embargo, el interés en probar sistemas magnéticos en escalas temporales y espaciales concretas y de forma coherente, fuera del alcance de las fuentes tradicionales de campos magnéticos como pueden ser los electroimanes, demuestra la necesidad de desarrollar nuevos esquemas para el diseño y control del campo electromagnético que conforma luz. Esto es posible gracias al gran zoo que compone la luz estructurada, pudiendo manipular diferentes grados de libertad como el patrón de intensidad, la fase o el estado de polarización. Si bien ya existen estudios que abordan la separación del campo magnético del eléctrico asociado en un haz de luz, en la mayoría de los casos es necesaria la interacción con materia para inducir corrientes eléctricas que favorezcan a la creación de un campo magnético longitudinal polarizado linealmente lo suficientemente intenso y asilado.
Con nuestro estudio teórico vamos un paso más allá en este escenario, buscando un campo magnético cuyo estado de polarización pueda ser controlado, desde lineal a circular pasando por elíptico. Cuando se introduce un campo magnético óptico de estas características con simetría cilíndrica a lo largo del eje de propagación del haz en las ecuaciones de Maxwell que gobiernan el electromagnetismo clásico, el resultado es un campo eléctrico asociado extremadamente complejo. Este consiste en un vórtice óptico (un haz en el que la fase o frente de ondas forma una hélice a medida que se propaga; es lo que se conoce como momento angular orbital de la luz) con una única componente de polarización a lo largo del eje de propagación. Esta solución desafía la tecnología láser actual, por lo que es necesario adoptar otros esquemas más realistas.
En nuestro trabajo proponemos la superposición coherente de varios haces estructurados debidamente desfasados, de manera que a través de su única manipulación óptica se puede tener un control directo sobre el estado de polarización del campo magnético aislado resultante en una región determinada del espacio. Por un lado, usamos haces vectoriales con polarización azimutal como punto de partida para aprovechar su componente longitudinal de campo magnético linealmente polarizada a lo largo del eje donde el campo eléctrico es nulo debido a la singularidad de polarización. Enfocándolos fuertemente con un sistema óptico de gran apertura numérica fuera de la aproximación paraxial, esta componente puede confinarse e intensificarse enormemente partiendo de láseres relativamente poco intensos. Combinando dos o cuatro de estos haces focalizados en una geometría cruzada con los respectivos focos en un mismo punto y aplicando los desfases correspondientes, es posible lograr un campo magnético intenso, aislado del campo eléctrico y con polarización circular contenida en el plano en el que se disponen los haces conductores, en una región de tamaño por debajo de la longitud de onda del láser.
Nuestros resultados obtenidos desde un punto de vista de un montaje experimental factible abren las puertas a nuevas perspectivas en aplicaciones tan amplias como la espectroscopía óptica y magnética, la microscopía de fuerza o la dinámica de magnetización ultrarrápida. En particular, son especialmente atractivos la inspección de interacciones magnéticas con láseres intensos en el régimen ultrarrápido con fenómenos como la dinámica no lineal de la magnetización en muestras ferromagnéticas, el estudio de materiales quirales o aplicaciones en la potencial mejora de la resolución espacial en la interacción óptica con sistemas magnéticos.
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Sergio Martín-Domene, Luis Sánchez-Tejerina, Rodrigo Martín-Hernández, Carlos Hernández-García; Generation of intense, polarization-controlled magnetic fields with non-paraxial structured laser beams. Appl. Phys. Lett. 20 May 2024; 124 (21): 211101.
https://doi.org/10.1063/5.0197085
