Luz para controlar la materia a escala nanométrica

Científicos de la Universidad de Salamanca, en colaboración con el Argonne National Laboratory (Estados Unidos), han desarrollado una investigación que puede suponer un importante paso para controlar materia a través de la luz a una escala extremadamente pequeña.

El Grupo de Investigación en Aplicaciones del Láser y Fotónica (ALF-USAL) es especialista en la generación de radiación coherente en el rango del ultravioleta y los rayos X, radiación que permite observar o interaccionar con la materia a escala nanométrica, en la millonésima parte de un milímetro.

Ahora, en un artículo que acaba de publicar la revista Physical Review Letters, revelan nuevas estrategias para generar esta radiación en forma de vórtices de luz, haces de luz que giran y que podrían servir para manipular materia en esa pequeña escala. El proceso para la generación de radiación en el rango del ultravioleta y los rayos X, que el grupo ALF-USAL viene estudiando desde hace años, se conoce como generación de armónicos de orden elevado. Se trata de un proceso bastante complejo: es altamente no lineal, no perturbativo y que da lugar a radiación muy coherente, es decir, radiación muy ordenada.

Desde el año 2013, el grupo ALF-USAL se ha convertido en un referente internacional en la investigación sobre la posibilidad de generar esta radiación de alta frecuencia en forma de vórtices de luz.
“Un vórtice es como un remolino de luz y resulta muy interesante porque puede transmitir este giro a la materia”, comenta Laura Rego, investigadora del grupo y primera firmante del artículo. Sus aplicaciones son muy variadas: desde las comunicaciones, como una manera de codificar la información que se quiere transmitir, a una herramienta para girar partículas, pasando por la computación cuántica.

En la actualidad, ya se producen vórtices en el rango de la luz visible y se están explorando todas estas aplicaciones. El grupo ALF-USAL ha identificado una manera para generar estos vórtices de luz con radiación de alta frecuencia (ultravioleta y rayos X), lo que permitirá, de momento, transmitir la rotación que llevan los vórtices a objetos muy pequeños, en escalas nanométricas. “Cuanto más corta sea la longitud de onda de nuestra luz, cada vez llegaremos a una escala más pequeña”, explica la investigadora.

Distintas velocidades

Para avanzar por este camino, el estudio que se acaba de publicar realiza una destacada aportación. “Hasta ahora se había visto que estos vórtices de luz ultravioleta se producían con una única velocidad de giro”, señala Carlos Hernández García, miembro del equipo. De hecho, para cada longitud de onda, o para color de la luz, se había establecido que sólo había una velocidad de giro posible.

Sin embargo, “ahora hemos comprobado que en situaciones normales también se pueden generar vórtices de un solo color con un abanico de velocidades mucho más amplio”. Esto implica que se podría seleccionar y controlar la velocidad con la que giran los vórtices de luz ultravioleta, multiplicando las posibilidades que podría ofrecer esta tecnología en el futuro.
“Es una nueva tecla de control en la interacción de la luz con la materia: ahora podemos inducir giros de diferentes velocidades dentro de una misma longitud de onda”, destaca Julio San Román.
Es conocido que existen otros métodos para generar vórtices de rayos X, pero ofrecen una calidad muy baja, ya que primero generarían los rayos X y posteriormente tratarían de producir los vórtices haciéndolos girar mediante técnicas que en la actualidad son muy ineficientes. Sin embargo, mediante la generación de armónicos se consigue de una manera directa y mucho más eficiente.
La Universidad de Salamanca realiza esta investigación en el plano teórico, de manera que supone “una luz que guía los experimentos posteriores”. Por eso, las posibles aplicaciones tecnológicas quedarían aún muy lejos. No obstante, “hasta el momento somos los únicos que han hecho una simulación teórica de este tipo, estamos explorando nuevos escenarios y quizá podamos colaborar con algún grupo experimental”, señala Luis Plaja. De hecho, en este nuevo trabajo también ha participado el investigador Antonio Picón, del Argonne National Laboratory de Estados Unidos.

Referencia bibliográfica:

Laura Rego, Julio San Román, Antonio Picón, Luis Plaja y Carlos Hernández-García. Nonperturbative Twist in the Generation of Extreme-Ultraviolet Vortex Beams. Physical Review Letters (2016). DOI: 10.1103/PhysRevLett.117.163202.