Las vibraciones atómicas de terahercios resuelven el enigma de las moléculas de solitones ultracortos
Los hallazgos podrían ayudar a desarrollar microscopios especialmente rápidos y sensibles a los productos químicos que puedan utilizarse para identificar materiales
Los paquetes estables de ondas de luz -llamados solitones ópticos- se emiten en los láseres de pulso ultracorto como una cadena de destellos de luz. Estos solitones suelen combinarse en pares con una separación temporal muy corta. Introduciendo vibraciones atómicas en el rango de los terahercios, investigadores de las universidades de Bayreuth y Wrocław han resuelto ahora el rompecabezas de cómo se forman estos enlaces temporales. Su descubrimiento se publica en Nature Communications. La dinámica de los paquetes de luz acoplados puede utilizarse para medir las vibraciones atómicas como "huellas" características de los materiales de forma extremadamente rápida.
Acoplamiento de dos solitones ultracortos que viajan entre los espejos de un resonador láser: El primer destello de luz excita los átomos del cristal láser para que oscilen, el siguiente destello se ve influenciado por él y se mantiene a una distancia estable.
(c) Georg Herink
En los láseres de pulso ultracorto, los solitones ópticos pueden formar enlaces espaciales y temporales especialmente estrechos. También se denominan "moléculas de solitones" ultracortos porque se acoplan de forma estable entre sí, de forma similar a los átomos unidos químicamente de una molécula. El grupo de investigación de Bayreuth utilizó un láser de estado sólido muy utilizado hecho de un cristal de zafiro dopado con átomos de titanio para averiguar cómo se produce este acoplamiento. En primer lugar, un único destello de luz estimula los átomos de la red cristalina del zafiro para que vibren instantáneamente. Este movimiento característico oscila en el rango de los terahercios y vuelve a decaer en unos pocos picosegundos (un picosegundo corresponde a una trillonésima de segundo). En este lapso de tiempo extremadamente corto, el índice de refracción del cristal cambia. Cuando un segundo destello de luz sigue inmediatamente al primero y lo alcanza, percibe este cambio: no sólo se ve ligeramente afectado por las vibraciones atómicas, sino que puede unirse de forma estable al solitón precedente. Ha nacido una "molécula de solitón".
"El mecanismo que hemos descubierto se basa en los efectos físicos de la dispersión Raman y el autoenfoque. Explica una serie de fenómenos que han desconcertado a la ciencia desde la invención de los láseres de zafiro-titanio hace más de 30 años. Lo más emocionante del descubrimiento es que ahora podemos aprovechar la dinámica de los solitones durante su generación en la cavidad del láser para escanear los enlaces atómicos en los materiales con extrema rapidez. La medición completa de un espectro Raman intracavitario tarda ahora menos de una milésima de segundo. Estos descubrimientos pueden ayudar a desarrollar microscopios químicamente sensibles especialmente rápidos que puedan utilizarse para identificar materiales. Además, el mecanismo de acoplamiento abre nuevas estrategias para controlar los pulsos de luz mediante movimientos atómicos y, a la inversa, para generar estados materiales únicos mediante pulsos de luz", explica el Dr. Georg Herink, director del estudio y profesor junior de dinámica ultrarrápida en la Universidad de Bayreuth.
Paralelamente al análisis de los datos experimentales, los investigadores han logrado desarrollar un modelo teórico de la dinámica de los solitones. El modelo permite explicar las observaciones obtenidas en los experimentos y predecir efectos novedosos de las vibraciones atómicas en la dinámica de los solitones. Las interacciones de los solitones en sistemas ópticos y sus aplicaciones para la espectroscopia de alta velocidad se están investigando actualmente en el proyecto de investigación FINTEC de la DFG en la Universidad de Bayreuth.
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