Un enfoque de Troyano para guiar y atrapar haces de luz a través de los puntos de Lagrange.

30 de enero de 2024 característica

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por Ingrid Fadelli , Phys.org

Guiar y capturar de manera confiable las ondas ópticas es fundamental para el funcionamiento de diversas tecnologías contemporáneas, incluidos los sistemas de comunicación y procesamiento de información. El enfoque más convencional para guiar las ondas de luz aprovecha la reflexión interna total de las fibras ópticas y otras estructuras similares, sin embargo, recientemente los físicos han estado explorando el potencial de técnicas basadas en otros mecanismos físicos.

Investigadores de la Universidad del Sur de California recientemente idearon un enfoque altamente innovador para atrapar la luz. Este método, presentado en Nature Physics, explota las propiedades exóticas de los puntos de Lagrange, los mismos puntos de equilibrio que rigen las órbitas de los cuerpos celestes primordiales, como los llamados asteroides troyanos en el sistema sol-Júpiter.

"El descubrimiento de los puntos de Lagrange, que resulta ser fundamental en esta investigación, se puede remontar al trabajo temprano de Leonhard Euler y Joseph-Louis Lagrange, que encontraron que en estas ubicaciones, la atracción gravitacional ejercida por dos cuerpos grandes puede ser contrarrestada de manera precisa por las fuerzas centrífugas", dijeron Mercedeh Khajavikhan y Demetrios N. Christodoulides, coautores del artículo, a Phys.org.

"Si bien algunos de estos puntos, especialmente y, ya se utilizan como posiciones estratégicas en el espacio para la estabilidad de los satélites con un consumo mínimo de propelente (como ocurre con el telescopio James Webb y el recién desplegado satélite Aditya L1), nuestro estudio se centra en las propiedades intrigantes de los puntos de Lagrange y".

Los asteroides troyanos son un gran grupo de asteroides que orbitan el sol en la misma órbita que el planeta Júpiter. Los puntos de Lagrange, llamados así por el renombrado matemático Lagrange, son posiciones en el espacio en las cuales la fuerza gravitacional de dos cuerpos en el mismo sistema (por ejemplo, el sol y Júpiter) produce regiones mejoradas de atracción y repulsión.

Como parte de su estudio, Khajavikhan y Christodoulides investigaron el potencial de utilizar la física única de estas posiciones para guiar y atrapar las ondas de luz. En su artículo, los investigadores mostraron que el uso de los puntos de Lagrange y para aplicaciones ópticas se asemeja de alguna manera a la captura de asteroides troyanos dentro de la órbita sol-Júpiter.

"La guía de ondas óptica de Lagrange se induce al pasar corriente a través de un alambre helicoidal en un cilindro de aceite de silicona curado", dijeron Khajavikhan y Christodoulides.

"Mediante el efecto termo-óptico, esto a su vez produce un paisaje de índice torcido donde, en este caso, la repulsión del fotón se equilibra con la fuerza centrífuga. Contraintuitivamente, en este perfil de índice de pendiente de montaña, se produce un punto de Lagrange estable y, como resultado, se atrapa un haz óptico troyano en una forma bidimensional en esta posición".

Como parte de su estudio, Khajavikhan y Christodoulides crearon un sistema compacto en su laboratorio que reproduce las propiedades de los puntos de Lagrange, como los observados en las órbitas de los asteroides troyanos. Su sistema construido en el laboratorio consistió en un alambre de hierro con forma helicoidal insertado en un medio con un índice de refracción dependiente de la temperatura.

Más tarde, los investigadores pudieron calentar este medio de manera no homogénea al pasar electricidad a través del alambre. En última instancia, este proceso permitió la formación de lo que ellos llaman un haz óptico troyano.

Este experimento simple condujo a observaciones muy interesantes. Curiosamente, los investigadores descubrieron que los haces ópticos troyanos podían guiarse o capturarse en este entorno de índice de refracción de desenfoque, algo que no es factible en circunstancias normales.

"Más importante aún, el paisaje de índice de refracción donde se capturan estos haces ópticos es completamente desapercibido, sin tener características que pudieran anticipar una respuesta de guía", dijeron Khajavikhan y Christodoulides. "En esencia, el haz óptico está atrapado en una tierra de nadie, en regiones completamente inadvertidas donde no existen estructuras guía convencionales".

El trabajo reciente de este equipo de investigadores muestra las características únicas de los puntos de Lagrange que pueden aprovecharse para guiar y atrapar las ondas de luz. En el futuro, podría llevar al desarrollo de nuevas técnicas para guiar las ondas ópticas en entornos no convencionales cuando los enfoques convencionales no sean efectivos, como en líquidos y gases.

'A possible avenue for further exploration could be the use of Trojan beams in amplifying (laser) systems, where optical gain or loss can establish alternative means for beam attraction or repulsion in fully dielectric media,' Khajavikhan and Christodoulides said.

So far, the researchers have only focused on the use of Lagrange points for guiding light beams. However, in the future the methodology they developed could also be tested in other areas of physics reaching beyond optics, for instance as a technique to guide acoustic waves or ultracold atoms.

'At this point, we plan to explore the possibility of guiding light in acoustic waves in both liquid and gaseous media,' Khajavikhan and Christodoulides added. 'Finally, of interest would be to observe for the first-time trapping and transporting dielectric micro- and nano-particles in Lagrange waveguides using optical tractor beams where multiple Lagrange points can be induced—an aspect that is not possible in celestial mechanics.'

Journal information: Nature Physics

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