Donuts y rayos láser
En la investigación de materiales, se han hecho considerables progresos aprovechando los conocimientos del campo de la topología: Ahora se pueden aplicar herramientas similares a los láseres
Un donut no es un bollo. Desde un punto de vista matemático, son dos objetos fundamentalmente diferentes: El donut tiene un agujero, el bollo no. Un círculo dentro del donut alrededor de su agujero en el centro no puede reducirse a un punto. Sin embargo, un círculo arbitrario dentro del bollo sí puede.
Una banda de Möbius es un bucle topológicamente no trivial: Si las energías permitidas de la luz láser siguen este bucle, no vuelven a sus valores iniciales después de una vuelta
TU Wien
La luz puede viajar de un lado a otro en las dos guías de ondas estrechamente espaciadas (roja y azul) y se refleja parcialmente en sus extremos. La guía de onda izquierda (roja) se bombea externamente con energía desde arriba. Como resultado de la estructura topológica no trivial por la que tiene que pasar la luz del láser, surgen patrones de interferencia exactamente opuestos en los dos extremos del láser.
TU Wien
La disciplina matemática que se ocupa de estas categorizaciones de superficies y cuerpos es la topología. En los últimos años, su papel en la física también ha aumentado: en 2016 se concedió el Premio Nobel por la aplicación de los conceptos topológicos a la física del estado sólido. Ahora resulta: la topología también puede desempeñar un papel crucial en la generación de luz láser. Una colaboración entre la Universidad Técnica de Viena (TU Wien) y equipos de investigación de Estados Unidos ha permitido desarrollar un láser especial que emite haces de luz con propiedades topológicas características. Este éxito se ha publicado ahora en la revista "Science".
Estable frente a las perturbaciones
Las propiedades topológicas son especialmente interesantes, entre otras cosas, porque son relativamente estables frente a las perturbaciones: Si ciertas propiedades físicas se derivan únicamente del hecho de que un donut tiene exactamente un agujero, entonces detalles como la circunferencia exterior dejan de tener importancia. Incluso un donut algo aplastado simplemente no parece un bollo.
En la física, por supuesto, no sólo importa la forma geométrica de un objeto, sino también sus propiedades internas: ahí también se encuentran fenómenos topológicamente interesantes, aunque de forma algo más abstracta: "Los valores energéticos permitidos de un sistema suelen situarse únicamente en determinadas superficies. La estructura topológica de estas superficies puede determinar las propiedades de todo el objeto", explica el profesor Stefan Rotter, del Instituto de Física Teórica de la Universidad de Viena. "No se trata de superficies en el espacio tridimensional tal y como lo conocemos, sino en el espacio de los valores energéticos; sin embargo, el principio sigue siendo el mismo", explica Alexander Schumer, primer autor del trabajo recién publicado. Estas superficies en espacios de parámetros abstractos, matemáticamente definidos, también son simplemente deformadas por pequeñas perturbaciones, pero conservan sus propiedades topológicas".
Teoría y experimento en estrecha colaboración
Alexander Schumer y Stefan Rotter llevan tiempo investigando en Viena las propiedades topológicas de las ondas de luz con ayuda de simulaciones por ordenador. Cómo aplicar los conocimientos adquiridos a la física del láser fue el tema de la tesis doctoral de Alexander Schumer. En el marco de un proyecto financiado por la UE, pasó varios meses en California y Florida, donde los resultados de la investigación se aplicaron en experimentos junto con los grupos de investigación de allí. El láser que ahora se ha realizado consta de dos guías de ondas estrechamente espaciadas (véase la figura). La luz puede propagarse a lo largo de estas guías de onda y se refleja en sus extremos. Mientras viaja de un lado a otro, la luz puede saltar de una guía de ondas a la otra, y puede ser amplificada o atenuada por la energía suministrada desde el exterior.
"De este modo, conseguimos construir un láser cuyas energías siguen un bucle topológicamente no trivial", dice Alexander Schumer. Si se mira en el espacio tridimensional ordinario, la luz simplemente viaja de un lado a otro. En cambio, si se traza el camino que sigue la luz en el láser en el espacio de los posibles valores energéticos, resulta que la energía sigue un bucle en torno a un llamado "punto excepcional"; este punto cumple la función del agujero del donut, por así decirlo, pero en el espacio energético.
"Este bucle topológico en el espacio energético puede parecer abstracto y trivial, pero tiene una implicación crucial para la luz del láser: no vuelve a su punto de partida cuando rodea el punto excepcional, de forma similar a una trayectoria en una banda de Möbius", explica Alexander Schumer.
Si ahora se deja brillar a ambos lados del láser, se hacen visibles precisamente estos dos puntos finales diferentes de la trayectoria alrededor del punto excepcional en el espacio energético: los dos haces de luz emitidos por el láser en direcciones opuestas presentan la diferencia característica de amplificarse en el centro en un lado y apagarse en el centro en el otro. "Esto es una consecuencia directa de las propiedades topológicas", señala Alexander Schumer.
"Hemos demostrado así que estos conceptos topológicos también son accesibles en la física del láser sin recurrir a las redes fotónicas o a las estructuras de cristal", afirma Stefan Rotter. "Esto podría dar lugar a nuevas e importantes aplicaciones, similares a las del campo de la física del estado sólido. Podría utilizarse potencialmente para construir láseres especialmente robustos y potentes en los que se pueda amplificar la luz a lo largo de un largo recorrido."
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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