{"id":3434,"date":"2018-12-10T17:03:17","date_gmt":"2018-12-10T16:03:17","guid":{"rendered":"https:\/\/laser.usal.es\/alf\/?p=3434"},"modified":"2021-11-25T15:11:50","modified_gmt":"2021-11-25T14:11:50","slug":"vortices-de-luz-de-alta-frecuencia-con-polarizacion-controlada","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/laser.usal.es\/alf\/es\/2018\/12\/10\/vortices-de-luz-de-alta-frecuencia-con-polarizacion-controlada\/","title":{"rendered":"V\u00f3rtices de luz de alta frecuencia con polarizaci\u00f3n controlada"},"content":{"rendered":"

Investigadores del grupo de Investigaci\u00f3n en Aplicaciones del L\u00e1ser y Fot\u00f3nica de la Universidad de Salamanca (ALF-USAL) han liderado un trabajo publicado en la revista Nature Photonics<\/a>, pionero en la generaci\u00f3n de haces de luz ex\u00f3ticos de alta frecuencia con propiedades espaciales y de polarizaci\u00f3n controladas, que permitir\u00e1n interactuar con la materia con un nivel de precisi\u00f3n nunca antes alcanzado. En una colaboraci\u00f3n internacional con la Universidad de Colorado, el Instituto Nacional de Patrones y Tecnolog\u00eda (NIST por sus siglas en ingl\u00e9s, National Institute of Standards and Technology), de EE.UU., y con la Universidad Aut\u00f3noma de Madrid, los investigadores de la USAL han desentramado las leyes f\u00edsicas fundamentales que rigen la conservaci\u00f3n del momento angular en la producci\u00f3n de rayos X coherentes. En este trabajo, se han generado, por primera vez, haces l\u00e1ser de alta frecuencia (cercanos a los rayos X), coherentes. y en los que es posible controlar tanto su momento angular orbital (es decir, creando v\u00f3rtices o remolinos de luz), como su momento angular de esp\u00edn (es decir, su polarizaci\u00f3n). Este hito supone la creaci\u00f3n de herramientas \u00f3pticas de nueva generaci\u00f3n que permitir\u00e1n ahondar en el estudio de materiales magn\u00e9ticos avanzados o de la simetr\u00eda de las estructuras moleculares, entre otras muchas posibles aplicaciones.<\/em><\/p>\n

Hace unos meses investigadores del ALF-USAL publicaban en la revista Nature Photonics<\/em> la generaci\u00f3n de rayos X con polarizaci\u00f3n \u201ca la carta\u201d. Ahora, en una \u201cvuelta de tuerca m\u00e1s\u201d han liderado un nuevo trabajo, tambi\u00e9n publicado en Nature Photonics<\/em>, en el que no s\u00f3lo son capaces de controlar la polarizaci\u00f3n de los rayos X o de alta frecuencia, sino tambi\u00e9n su momento angular orbital, de manera simult\u00e1nea. Es decir, adem\u00e1s de controlar la direcci\u00f3n de las oscilaciones de la radiaci\u00f3n l\u00e1ser \u2013la polarizaci\u00f3n\u2013, son capaces de \u201cenroscarlas\u201d, configurando un giro similar al de las roscas de un tornillo. Se trata de un trabajo pionero, en el que las simulaciones te\u00f3ricas llevadas a cabo por el equipo de ALF-USAL \u2013uno de los grupos l\u00edderes en el dise\u00f1o conceptual de nuevos m\u00e9todos de generaci\u00f3n de l\u00e1seres de rayos X en el panorama internacional\u2013 han sido imprescindibles para desentra\u00f1ar las leyes f\u00edsicas que gobiernan estas propiedades de los haces de luz, y para posteriormente guiar los experimentos que se han llevado a cabo posteriormente en los laboratorios de la Universidad de Colorado.<\/p>\n

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Ilustraci\u00f3n de la generaci\u00f3n de v\u00f3rtices de luz de alta frecuencia con polarizaci\u00f3n controlada. Cr\u00e9dito: Steve Burrows, Kevin M. Dorney, JILA.<\/p><\/div>\n

Hoy en d\u00eda la radiaci\u00f3n l\u00e1ser es una herramienta muy vers\u00e1til utilizada, cada vez m\u00e1s, en m\u00faltiples ramas de la ciencia, y con aplicaciones en las tecnolog\u00edas m\u00e1s avanzadas en nuestra sociedad. Principalmente nos aprovechamos de la capacidad de la luz para concentrar energ\u00eda en vol\u00famenes microsc\u00f3picos, su facilidad para ser transportada mediante espejos o a trav\u00e9s de fibras \u00f3pticas, y de la regularidad de las oscilaciones del campo el\u00e9ctrico que conforma su luz, en contraste con el \u201cdesorden\u201d de la luz emitida por las fuentes convencionales (bombillas, l\u00e1mparas fluorescentes, etc.). En particular, la luz l\u00e1ser tiene dos propiedades que la hacen especialmente interesante en determinadas aplicaciones. Por un lado, la direcci\u00f3n en la que se producen las oscilaciones del campo el\u00e9ctrico, es decir, la polarizaci\u00f3n. El manejo de la polarizaci\u00f3n de la luz ha dado lugar a importantes desarrollos, como las gafas de sol polarizadas, las pantallas LCD, o el cine 3D, por mencionar algunas de los m\u00e1s conocidos. Por otro lado, la estructura espacial haz de luz puede dar lugar a distribuciones de intensidad de tipo \u201cdonut\u201d, \u00a0en las que \u00a0la oscilaci\u00f3n del campo el\u00e9ctrico se retrasa gradualmente a lo largo del anillo,\u00a0 rotando en forma de espiral, creando un \u201ctorbellino\u201d o v\u00f3rtice de luz. Los v\u00f3rtices de luz resultan muy interesantes tanto desde el punto de vista fundamental \u2013pueden transmitir el giro de su fase a la materia, con lo que pueden, por ejemplo, hacer rotar part\u00edculas microsc\u00f3picas\u2013, como desde el aplicado: en comunicaciones \u00f3pticas, computaci\u00f3n cu\u00e1ntica o microscop\u00eda de alta resoluci\u00f3n.<\/p>\n

La novedad de este trabajo consiste en crear haces de luz coherente con estas dos propiedades simult\u00e1neamente (polarizaci\u00f3n y momento angular orbital) en el rango del ultravioleta extremo, muy cercano a los rayos X: \u00a0crear v\u00f3rtices de luz coherente con polarizaci\u00f3n \u201ca la carta\u201d<\/em><\/strong>. Adem\u00e1s, como valor a\u00f1adido, estos v\u00f3rtices de luz se emiten en forma de pulsos muy cortos, con duraciones de unas cuantas trillon\u00e9simas de segundo, o lo que es lo mismo, unos cuantos attosegundos. Gracias a su corta duraci\u00f3n, estos destellos de luz nos ofrecen la posibilidad de inspeccionar, controlar y observar los componentes m\u00e1s elementales de la materia y registrar su evoluci\u00f3n, aunque esta ocurra en fracciones de milbillon\u00e9simas (1\/1015<\/sup>) de segundo.<\/p>\n

\u00bfQu\u00e9 supone poder generar v\u00f3rtices de rayos X con polarizaci\u00f3n controlable?<\/p>\n

El desarrollo de la tecnolog\u00eda l\u00e1ser necesaria para generar haces de luz coherentes de alta frecuencia fue uno de los motivos que impuls\u00f3 a Donna Strickland y Ger\u00e1rd Mourou a la investigaci\u00f3n que les ha sido reconocida con el premio Nobel de F\u00edsica en 2018. La comunidad cient\u00edfica internacional lleva varios a\u00f1os buscando c\u00f3mo controlar la polarizaci\u00f3n de estos l\u00e1seres de alta frecuencia \u2013que incluso alcanzan los rayos X\u2013. En concreto, la generaci\u00f3n de estos haces de luz polarizaci\u00f3n circular es de especial inter\u00e9s en diferentes aplicaciones como por ejemplo en el estudio de nuevos materiales magn\u00e9ticos o en la identificaci\u00f3n de la quiralidad en compuestos complejos, como algunos f\u00e1rmacos que con la misma composici\u00f3n pueden presentar dos ordenaciones diferentes -dos estructuras quirales- siendo solo una de ellas la que es eficiente como medicamento. Los nuevos haces de luz creados por los investigadores de la USAL permitir\u00e1n analizar interacciones de luz-materia no s\u00f3lo con distintas polarizaciones, sino con distinta vorticidad, a\u00f1adiendo una nueva dimensi\u00f3n al an\u00e1lisis de estos procesos. Este hito demuestra que la comunidad cient\u00edfica ha alcanzado un grado de control en la generaci\u00f3n de haces de luz coherente en el rango de rayos X sin precedente, que no nos cabe la menor duda que abrir\u00e1 la puerta a un gran n\u00famero de avances cient\u00edficos y tecnol\u00f3gicos, muchos de ellos a\u00fan por descubrir.<\/p>\n

El equipo te\u00f3rico del ALF-USAL implicado en este trabajo est\u00e1 formado por Laura Rego, Julio San Rom\u00e1n, Luis Plaja y Carlos Hern\u00e1ndez Garc\u00eda, y ha colaborado estrechamente con el equipo experimental de los profesores Henry Kapteyn y Margaret Murnane de la Universidad de Colorado en Boulder (EE.UU.). El equipo de la USAL ha propuesto y liderado el trabajo, en el que sus simulaciones computacionales han sido fundamentales para desentra\u00f1ar la f\u00edsica subyacente en la creaci\u00f3n de estos v\u00f3rtices de rayos X con polarizaci\u00f3n controlada<\/em><\/strong>. De esta manera, los modelos te\u00f3ricos desarrollados han permitido proponer, dise\u00f1ar y guiar este experimento pionero, que ha sido capaz de generar por primera vez este tipo de haces de luz coherente. Estas simulaciones, que abarcan la f\u00edsica desde un nivel cu\u00e1ntico a un nivel macrosc\u00f3pico, necesitan de supercomputadores, y para ello los investigadores de la USAL han utilizado los recursos de la Fundaci\u00f3n del Centro de Supercomputaci\u00f3n de Castilla y Le\u00f3n (SCAYLE) y de Marenostrum (Centro de Supercomputaci\u00f3n de Barcelona).<\/p>\n

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