El treball del doctor Julien Javaloyes, publicat a Physical Review Letters, aporta les primeres evidències teòriques d'aquest fenomen  

Durant dècades, els investigadors que treballen en el camp de la física òptica han intentat demostrar l'existència de les conegudes com a bales de llum (light bullets) estables, que serien polsos d'energia electromagnètica que podrien ser confinats a  les tres dimensions de l'espai i al temps, sense dissipar-se o col·lapsar-se. Ara, un investigador de la Universitat de les Illes Balears, el doctor Julien Javaloyes, ha aportat les primeres evidències teòriques de l'existència d'aquest fenomen en cavitats de làsers de semiconductor. El seu treball, publicat recentment a la revista científica internacional Physical Review Letters, suposa un important pas endavant en el camp de la física òptica, que podria obrir el camí per a futures realitzacions experimentals.

El repte de les bales de llum

Quan un medi material interactua amb un camp electromagnètic, pot modificar-lo mitjançant la creació d'una polarització induïda. Essencialment, la resposta d'un material a l'excitació de la llum pot dependre’n de manera proporcional (és a dir, lineal) o bé no lineal. Un efecte ben conegut de l'òptica lineal és l'efecte arc de Sant Martí, en què el material (en aquest cas el vapor d'aigua) modifica lleugerament la velocitat de les ones en funció del color, la qual cosa tendeix a separar-les. Aquest fenomen, en el qual el blau no viatja a la mateixa velocitat que el vermell, es diu dispersió cromàtica.

Encara que aquests efectes lineals són coneguts des de l'antiguitat, els efectes no lineals varen començar a estudiar-se els anys seixanta. De fet, aquests últims fenòmens poden ocórrer només amb camps electromagnètics d'alta intensitat, de manera que els experiments d'òptica no lineal no es podien dur a terme fins a l'aparició de la tecnologia làser. Essencialment, diverses ones de llum poden interactuar entre si a través d'un material si són suficientment intenses.

L'òptica no lineal ha revolucionat molts camps del coneixement, com la medicina o les telecomunicacions, incloent el desenvolupament de les línies de comunicació de llarga distància basades en el concepte de solitó temporal: una sola fibra òptica d'aquest tipus pot suportar un flux de dades d'un terabit (un bilió de bits per segon) i permett un enorme progrés en termes de densitat i qualitat de transmissió del senyal. Un solitó temporal, com a portador d'un bit d'informació, és un pols electromagnètic ultracurt, de l'ordre d'uns pocs picosegons. Aquest últim, compost per la superposició d'un gran nombre d'ones de colors lleugerament diferents, es coneix també com a paquet d'ones, i és a través de la compensació entre les interaccions no lineals i de la dispersió cromàtica que aquests paquets d'ones poden viatjar a través de les fibres òptiques sense dispersar-se. És gairebé com si les ones no es deformassin al llarg de la seva propagació. Per analogia, hi ha també solitons espacials no difractius, és a dir, resistents, a través de les interaccions no lineals, a la dispersió transversal en la seva direcció de propagació.

En teoria, un pot imaginar solitons espaciotemporals, o bales de llum, que serien confinats a l'espai i en el temps. No obstant això, s'ha demostrat que aquests fenòmens de confinament acte-organitzat com a resultat d'un equilibri entre forces oposades arriben a ser massa difícils de mantenir en tres dimensions, la qual cosa provoca la inestabilitat i el col·lapse de les bales de llum. Es varen desenvolupar altres escenaris per permetre que la llum s'autoorganitzàs a través de materials dissipatius forçats, com ara els semiconductors, que tenen, a més, un fort potencial tecnològic i aplicatiu. Podrien, per exemple, permetre el desenvolupament de sistemes de comunicació totalment òptics (all optical). No obstant això, es va demostrar que en aquests sistemes fora d'equilibri, la dinàmica temporal del semiconductor induïa també un col·lapse de les bales de llum. Així, la recerca del confinament total de la llum es va abandonar parcialment aquests últims anys, en part a causa del fet que totes les prediccions teòriques realistes varen concloure que era impossible.

Al treball publicat a Physical Review Letters, el  doctor Julien Javaloyes, membre del grup de recerca en Ones no Lineals de la Universitat de les Illes Balears, proporciona evidències de l'existència de bales de llum confinades en tres dimensions, estables, en un sistema de làsers de semiconductors. Apartant-se dels criteris anteriors, el treball de l'investigador de la UIB descriu un tipus totalment nou de bales de llum de tres dimensions que és essencialment un objecte amb múltiples escales temporals. A més, la simetria de fase d'aquestes bales de llum els atorga propietats addicionals i, per exemple, la possibilitat de codificar una càrrega topològica en el seu front de fase.

Referència bibliogràfica

Javaloyes, J. «Cavity Light Bullets in Passively Mode-Locked Semiconductor Lasers». Physical Review Letters, 116, 4, 29 de gener de 2016. DOI: 10.1103/PhysRevLett.116.043901 

Data de l'esdeveniment: 23/05/2016

Data de publicació: 23/05/2016