La luz lenta es la propagación de un pulso óptico u otra modulación de una portadora óptica a una velocidad de grupo muy baja . La luz lenta se produce cuando un pulso que se propaga se ralentiza sustancialmente por la interacción con el medio en el que tiene lugar la propagación.
En 1998, el físico danés Lene Vestergaard Hau dirigió un equipo combinado de la Universidad de Harvard y el Instituto Rowland para la Ciencia que logró reducir la velocidad de un haz de luz a unos 17 metros por segundo, [1] e investigadores de UC Berkeley redujeron la velocidad de la luz que viaja. a través de un semiconductor a 9,7 kilómetros por segundo en 2004. Hau y sus colegas más tarde lograron detener la luz por completo y desarrollaron métodos mediante los cuales se puede detener y luego reiniciar. [2] [3] Esto fue en un esfuerzo por desarrollar computadoras que usarán solo una fracción de la energía de las máquinas actuales. [4]
En 2005, IBM creó un microchip que puede ralentizar la luz, fabricado con materiales bastante estándar, lo que podría allanar el camino hacia la adopción comercial. [5]
Fondo
Cuando la luz se propaga a través de un material, viaja más lento que la velocidad del vacío, c . Este es un cambio en la velocidad de fase de la luz y se manifiesta en efectos físicos como la refracción . Esta reducción de la velocidad se cuantifica mediante la relación entre cy la velocidad de fase. Esta relación se denomina índice de refracción del material. La luz lenta es una reducción dramática en la velocidad de grupo de la luz, no en la velocidad de fase. Los efectos de luz lentos no se deben a índices de refracción anormalmente grandes, como se explica a continuación.
La imagen más simple de la luz dada por la física clásica es la de una onda o perturbación en el campo electromagnético . En el vacío , las ecuaciones de Maxwell predicen que estas perturbaciones viajarán a una velocidad específica, indicada por el símbolo c . Esta constante física bien conocida se conoce comúnmente como la velocidad de la luz . El postulado de la constancia de la velocidad de la luz en todos los marcos de referencia inerciales se encuentra en el corazón de la relatividad especial y ha dado lugar a la noción popular de que "la velocidad de la luz es siempre la misma". Sin embargo, en muchas situaciones la luz es más que una perturbación en el campo electromagnético.
La luz que viaja dentro de un medio ya no es una perturbación únicamente del campo electromagnético, sino más bien una perturbación del campo y las posiciones y velocidades de las partículas cargadas ( electrones ) dentro del material. El movimiento de los electrones está determinado por el campo (debido a la fuerza de Lorentz ) pero el campo está determinado por las posiciones y velocidades de los electrones (debido a la ley de Gauss y la ley de Ampère ). El comportamiento de una perturbación de este campo combinado de densidad de carga electromagnética (es decir, la luz) todavía está determinado por las ecuaciones de Maxwell, pero las soluciones son complicadas debido al vínculo íntimo entre el medio y el campo.
La comprensión del comportamiento de la luz en un material se simplifica al limitar los tipos de perturbaciones estudiadas a las funciones sinusoidales del tiempo. Para este tipo de perturbaciones, las ecuaciones de Maxwell se transforman en ecuaciones algebraicas y se resuelven fácilmente. Estas perturbaciones especiales se propagan a través de un material a una velocidad más lenta que c llamada velocidad de fase . La relación entre cy la velocidad de fase se denomina índice de refracción o índice de refracción del material ( n ). El índice de refracción no es una constante para un material dado, sino que depende de la temperatura, la presión y la frecuencia de la onda de luz (sinusoidal). Este último conduce a un efecto llamado dispersión .
Un humano percibe la intensidad de la perturbación sinusoidal como el brillo de la luz y la frecuencia como el color . Si una luz se enciende o apaga en un momento específico o se modula de otro modo, entonces la amplitud de la perturbación sinusoidal también depende del tiempo. La amplitud variable en el tiempo no se propaga a la velocidad de fase sino a la velocidad de grupo . La velocidad del grupo depende no solo del índice de refracción del material, sino también de la forma en que el índice de refracción cambia con la frecuencia (es decir, la derivada del índice de refracción con respecto a la frecuencia).
La luz lenta se refiere a una velocidad de luz de grupo muy baja. Si la relación de dispersión del índice de refracción es tal que el índice cambia rápidamente en un pequeño rango de frecuencias, entonces la velocidad del grupo puede ser muy baja, miles o millones de veces menor que c , aunque el índice de refracción sigue siendo un índice típico. valor (entre 1,5 y 3,5 para vidrios y semiconductores).
Maneras de lograr luz lenta
Hay muchos mecanismos que pueden generar luz lenta, todos los cuales crean regiones espectrales estrechas con alta dispersión , es decir, picos en la relación de dispersión . Los esquemas se agrupan generalmente en dos categorías: dispersión de material y dispersión de guía de ondas. Los mecanismos de dispersión de materiales como la transparencia inducida electromagnéticamente (EIT), la oscilación de población coherente (CPO) y varios esquemas de mezcla de cuatro ondas (FWM) producen un cambio rápido en el índice de refracción en función de la frecuencia óptica, es decir, modifican el componente temporal de una onda que se propaga. Esto se hace usando un efecto no lineal para modificar la respuesta dipolo de un medio a una señal o campo de "sonda". Los mecanismos de dispersión de guías de ondas como los cristales fotónicos , las guías de ondas ópticas de resonador acopladas (CROW) y otras estructuras de micro-resonadores [6] modifican el componente espacial (vector k) de una onda que se propaga. La luz lenta también se puede lograr aprovechando las propiedades de dispersión de las guías de ondas planas realizadas con metamateriales negativos simples (SNM) [7] [8] o metamateriales negativos dobles (DNM). [9]
Una figura predominante de mérito de los esquemas de luz lenta es el Producto de ancho de banda de retardo (DBP). La mayoría de los esquemas de luz lenta pueden ofrecer un retraso arbitrariamente largo para una longitud de dispositivo determinada (longitud / retraso = velocidad de la señal) a expensas del ancho de banda . El producto de los dos es aproximadamente constante. Una cifra de mérito relacionada es el retraso fraccional , el tiempo que se retrasa un pulso dividido por el tiempo total del pulso. La transparencia inducida por Plasmon, un análogo de EIT, proporciona otro enfoque basado en la interferencia destructiva entre diferentes modos de resonancia. Un trabajo reciente ha demostrado ahora este efecto en una amplia ventana de transparencia en un rango de frecuencia superior a 0,40 THz. [10]
Uso potencial
La luz lenta podría usarse para reducir en gran medida el ruido , lo que podría permitir que todo tipo de información se transmita de manera más eficiente [ cita requerida ] . Además, los interruptores ópticos controlados por luz lenta [11] podrían reducir los requisitos de energía un millón de veces en comparación con los interruptores que ahora operan todo, desde equipos telefónicos hasta supercomputadoras. [ cita requerida ] La disminución de la luz podría conducir a un flujo de tráfico más ordenado en las redes . Mientras tanto, la luz lenta se puede utilizar para construir interferómetros que son mucho más sensibles al cambio de frecuencia en comparación con los interferómetros convencionales. Esta propiedad se puede utilizar para construir mejores sensores de frecuencia más pequeños y espectrómetros compactos de alta resolución. Además, la luz lenta se puede utilizar en la memoria cuántica óptica.
En ficción
La descripción de "luminite" en la novela de Maurice Renard , Le maître de la lumière ( El maestro de la luz , 1933), podría ser una de las primeras menciones a la luz lenta. [12]
Estos cristales son de una composición a través de la cual la luz se ralentiza de la misma forma que cuando atraviesa el agua. Tú sabes bien, Péronne, cómo se puede oír más rápidamente un sonido a través de, por ejemplo, un conducto metálico o algún otro sólido que a través del simple espacio. Bueno, Péronne, ¡todo esto es de la misma familia de fenómenos! Aqui esta la solucion. Estos paneles de vidrio ralentizan la luz a un ritmo increíble, ya que solo se necesita una hoja relativamente delgada para ralentizarla cien años. ¡Se necesitan cien años para que un rayo de luz atraviese este trozo de materia! Le tomaría un año atravesar una centésima parte de esta profundidad. [13]
Las obras de ficción posteriores que abordan la luz lenta se indican a continuación.
- Los experimentos de luz lenta se mencionan en la novela de Dave Eggers Sabrás nuestra velocidad (2002), en la que la velocidad de la luz se describe como un "arrastre dominical".
- En Mundodisco , donde Terry Pratchett 's novela de la serie se lleva a cabo, la luz viaja sólo unos cientos de millas por hora debido a la magia de Mundodisco campo 'vergonzosamente fuerte'. [14]
- "Slow glass" es un material ficticio en el cuento " Light of Other Days " de Bob Shaw ( Analog , 1966) y en varios relatos posteriores. El vidrio, que retrasa el paso de la luz por años o décadas, se utiliza para construir ventanas, llamadas scenedows , que permiten a los habitantes de la ciudad, submarinistas y presos ver escenas "en vivo" del campo. El "vidrio lento" es un material donde el retraso que tarda la luz en pasar a través del vidrio se atribuye a los fotones que pasan "... a través de un túnel en espiral enrollado fuera del radio de captura de cada átomo en el vidrio". Más tarde, Shaw reelaboró las historias en la novela Otros días, otros ojos (1972). [15]
Notas
- ↑ Cromie, William J. (18 de febrero de 1999). "Físicos a baja velocidad de la luz" . La Gaceta de la Universidad de Harvard . Consultado el 26 de enero de 2008 .
- ^ "La luz se transformó en materia, luego se detuvo y se movió" . Photonics.com . Consultado el 10 de junio de 2013 .
- ^ Ginsberg, Naomi S .; Garner, Sean R .; Hau, Lene Vestergaard (8 de febrero de 2007). "Control coherente de la información óptica con la dinámica de ondas de materia" (PDF) . Naturaleza . 445 (7128): 623–626. doi : 10.1038 / nature05493 . PMID 17287804 . S2CID 4324343 .
- ^ Kanellos, Michael (28 de septiembre de 2004). "Disminuir la velocidad de la luz para mejorar las redes" . Noticias de ZDNet . Archivado desde el original el 28 de febrero de 2008 . Consultado el 26 de enero de 2008 .
- ^ Kanellos, Michael (2 de noviembre de 2005). "IBM ralentiza la luz, la prepara para la creación de redes" . Noticias de ZDNet . Archivado desde el original el 19 de diciembre de 2007 . Consultado el 26 de enero de 2008 .
- ^ Lee, Myungjun; et al. (2010). "Estudio de diseño sistemático de una línea de retardo totalmente óptica basada en resonadores de anillo acoplados en cascada mejorados de dispersión de Brillouin" (PDF) . Journal of Optics A . 12 (10): 104012. arXiv : 1002.0084 . Código Bibliográfico : 2010JOpt ... 12j4012L . doi : 10.1088 / 2040-8978 / 12/10/104012 . S2CID 18504919 .
- ^ Wentao T. Lu, Savatore Savo; B. Didier F. Casse; Srinivas Sridhar (2009). "Guía de ondas de microondas lenta hecha de metamateriales de permeabilidad negativa" (PDF) . Letras de tecnología óptica y de microondas . 51 (11): 2705–2709. CiteSeerX 10.1.1.371.6810 . doi : 10.1002 / mop.24727 .
- ^ Savatore Savo, Wentao T. Lu; B. Didier F. Casse; Srinivas Sridhar (2011). "Observación de luz lenta en una guía de ondas de metamateriales a frecuencias de microondas" (PDF) . Letras de Física Aplicada . 98 (17): 1719079. Código Bibliográfico : 2011ApPhL..98q1907S . doi : 10.1063 / 1.3583521 .
- ^ KL Tsakmakidis, O. Hess; AD Boardman (2007). "Almacenamiento de luz de arco iris atrapado en metamateriales". Naturaleza . 450 (7168): 397–401. Código Bib : 2007Natur.450..397T . doi : 10.1038 / nature06285 . PMID 18004380 . S2CID 34711078 .
- ^ Zhu, Zhihua; et al. (2013). "Transparencia inducida por plasmón de banda ancha en metamateriales de terahercios". Nanotecnología . 24 (21): 214003. Bibcode : 2013Nanot..24u4003Z . doi : 10.1088 / 0957-4484 / 24/21/214003 . PMID 23618809 .
- ^ Pollitt, Michael (7 de febrero de 2008). "Un toque ligero podría impulsar las redes de fibra óptica" . The Guardian . Consultado el 4 de abril de 2008 .
- ^ Renard, Maurice (1933). El Maestro de la Luz .
- ^ Evans, Arthur B. (noviembre de 1994). "La ciencia ficción fantástica de Maurice Renard" . Estudios de ciencia ficción . 21 (64) . Consultado el 23 de febrero de 2011 .
- ^ Pratchett, Terry (1983). El color de la magia . ISBN 9780552166591.
- ^ Shaw, Bob (1972). Otros días, otros ojos . ISBN 9780330238939.
Referencias
- Lene Vestergaard Hau, SE Harris, Zachary Dutton, Cyrus H. Behroozi, Nature v.397, pág. 594 (1999).
- "Nueva guía de ondas fotónicas de IBM". Nature , noviembre de 2004.
- J. Scheuer, GT Paloczi, JKS Poon y A. Yariv, "Guías de ondas ópticas de resonador acoplado: hacia la ralentización y el almacenamiento de la luz", Opt. Fotón. Noticias, vol. 16 (2005) 36.