El equipo multidisciplinar de Científicos de las universidades de Varsovia y Tecnológica Militar (en Polonia) y la Universidad británica de Southampton han conseguido un nuevo tipo de microláser sintonizable que emite dos haces.
Estos rayos están polarizados circularmente y dirigidos en diferentes ángulos, detalla el profesor Jacek Szczytko, de la Facultad de Física de la Universidad de Varsovia. Este logro se obtuvo creando la denominada hélice de espín persistente en la superficie de la microcavidad. Los detalles y resultados del estudio aparecen en Physical Review Applied.
Para lograr este efecto de microláser, los científicos llenaron la microcavidad óptica con un cristal líquido dotado con un tinte láser orgánico. La microcavidad consta de dos espejos perfectos colocados uno cerca del otro, a una distancia de entre dos y tres micras, de modo que en el interior se forma una onda electromagnética estacionaria.
El espacio entre los espejos se llenó con un medio óptico especial: cristal líquido, que se organizó adicionalmente con un revestimiento de espejo especial.
El rasgo característico de los cristales líquidos son sus moléculas alargadas y, en sentido figurado, se peinaron en la superficie de los espejos y pudieron levantarse bajo la influencia de un campo eléctrico externo, girando también otras moléculas y llenando la cavidad, como explica Marcin Muszynski, de la Universidad de Varsovia y primer autor de este trabajo.
La luz en la cavidad interactúa con las moléculas de manera diferente cuando el campo eléctrico de la onda que se propaga oscila a lo largo de las moléculas y de manera diferente cuando las oscilaciones son perpendiculares a ellas.
Propiedades inesperadas del microláser
El cristal líquido es un medio birrefringente. Se puede caracterizar por dos índices de refracción, que dependen de la dirección de las oscilaciones del campo eléctrico. Es decir, la llamada polarización de ondas electromagnéticas. La disposición precisa de las moléculas dentro de la microcavidad láser, obtenida en la Universidad Tecnológica Militar, dio como resultado la aparición de dos modos de luz polarizados linealmente en la cavidad, es decir, dos ondas de luz estacionarias con polarizaciones lineales opuestas.
El campo eléctrico cambió la orientación de las moléculas dentro de la cavidad óptica, alterando el índice de refracción efectivo de las capas de cristal líquido. Como explican en el estudio, controlaba la longitud del llamado camino óptico de la luz, el producto del ancho de la cavidad y el índice de refracción del que depende la energía (color) de la luz emitida.
Uno de los modos no cambió su energía cuando las moléculas giraron, mientras que la energía del otro aumentó cuando cambió la orientación de las moléculas.
Al estimular ópticamente el tinte orgánico colocado entre las moléculas del cristal líquido, se obtuvo un efecto láser: radiación de luz coherente con una energía estrictamente definida. La rotación gradual de las moléculas de cristal líquido condujo a propiedades inesperadas de este láser. El microláser se logró para este modo sintonizable: emitió un haz polarizado linealmente perpendicular a la superficie de los espejos.
Una poderosa herramienta de aprendizaje automático
El uso de cristales líquidos permitió una sintonía suave de la longitud de onda de la luz con el campo eléctrico hasta en 40 nm. “Sin embargo -destacan estos investigadores- cuando rotamos las moléculas de cristal líquido para que ambas energías de los modos, la sensible a la orientación de las moléculas y la que no cambiaba su energía, se superpusieran (es decir, estaban en resonancia), en la superficie de la muestra apareció la llamada hélice de espín persistente, un patrón de rayas con diferente polarización de la luz, espaciadas 3 micras”.
Los cálculos teóricos mostraron que tal patrón puede formarse cuando dos haces de polarización opuesta son coherentes en fase y ambos modos de luz son inseparables. “Este fenómeno se compara con el entrelazamiento cuántico”, puntualiza Marcin Muszynski.
Hasta ahora, el láser funciona en pulsos, porque el tinte orgánico que se utilizó se fotodegrada lentamente bajo la influencia de la luz intensa. Los científicos esperan que la sustitución del emisor orgánico por polímeros más duraderos o materiales inorgánicos (por ejemplo perovskitas) permita una vida útil más prolongada.
Los autores aseguran que el láser sintonizable con precisión obtenido se puede utilizar en muchos campos de la física, la química, la medicina y la comunicación. Utilizaron fenómenos no lineales para crear una red neuromórfica totalmente óptica. Esta nueva arquitectura fotónica puede proporcionar una poderosa herramienta de aprendizaje automático para resolver problemas complejos de clasificación e inferencia, y para procesar grandes cantidades de información con mayor velocidad y eficiencia energética, como destaca la profesora Barbara Pietka que, junto con el profesor Szczytko, de la Universidad de Varsovia, han codirigido este estudio.