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Un nuevo récord mundial. Resonador que mejora la luz.

Resonador

Un resonador es un dispositivo que atrapa ondas y las realza o hace eco de ellas reflejándolas de pared a pared en un proceso llamado realce resonante. Hoy en día, existen resonadores complejos y sofisticados de varios tipos en todo el mundo, así como resonadores simples que todos conocemos.

Ejemplos de esto incluyen la caja del resonador de una guitarra, que realza el sonido producido por las cuerdas. Lo mismo el cuerpo de una flauta, que realza el sonido creado en la boquilla del instrumento.

Physical Review X informó recientemente sobre un nuevo resonador óptico Israeli que no tiene precedentes. Desarrollado por el estudiante Jacob Kher-Alden bajo la supervisión del profesor Tal Carmon, el resonador nacido en el Technion tiene capacidades récord en mejoras de resonancia.

La guitarra y la flauta son resonadores acústicos en los que el sonido reverbera entre las paredes del resonador. En física, también existen resonadores ópticos, como en los dispositivos láser. Un resonador es, de hecho, uno de los dispositivos más importantes de la óptica. “Es el transistor de la óptica”, dijo el profesor Carmon.

Por lo general, los resonadores necesitan al menos dos espejos para multiplicar la luz reflejada (como en la peluquería).

Pero también pueden contener más de dos espejos. Por ejemplo, se pueden usar tres espejos para reflejar la luz en forma triangular, cuatro en un cuadrado, etc.

También es posible disponer muchos espejos en forma casi circular para que circule la luz. Cuantos más espejos haya en el anillo, más cerca estará la estructura de un círculo perfecto.

Pero este no es el final de la historia.

El anillo restringe el movimiento de la luz a un solo plano. La solución es una estructura esférica, que permite que la luz gire en todos los planos que pasan por el centro del círculo, independientemente de su inclinación. En otras palabras, en un espacio tridimensional.

En el movimiento de la física a la ingeniería, surge la pregunta de cómo producir un resonador lo más cerca posible de una esfera. Necesitamos que sea limpia, suave y que proporcione el número máximo de rotaciones para una resonancia óptima.

Es un desafío que ha involucrado a muchos grupos de investigación y ha dado lugar, entre otros, a un diminuto resonador de vidrio en forma de esfera o anillo, que se sostiene junto a una fibra óptica estrecha. Un ejemplo de esto fue presentado por el profesor Carmon hace dos años en Nature.

Aquí, todavía había margen de mejora, ya que incluso el vástago que sostiene la esfera crea una distorsión en su forma esférica. Por lo tanto, nació el deseo de producir un resonador flotante, un resonador no sostenido por ningún objeto material.

El primer micro resonador del mundo fue demostrado en la década de 1970 por Arthur Ashkin, ganador del Premio Nobel de Física 2018, quien presentó un resonador flotante. A pesar del logro, pronto se abandonó la dirección de la investigación.

Ahora, inspirado por el trabajo pionero de Ashkin, el nuevo resonador flotante exhibe una mejora resonante por 10,000,000 circulaciones de luz, en comparación con aproximadamente 300 circulaciones en el resonador de Ashkin.

El resonador levitante.

En un resonador hecho de espejo que refleja el 99,9999% de la luz, la luz girará alrededor de un millón de revoluciones o “viajes de ida y vuelta”.

Según el profesor Carmon, “si tomamos luz que tiene una potencia de un vatio, similar a la luz del flash en un teléfono celular, y le permitimos girar hacia adelante y hacia atrás entre estos espejos, la potencia de la luz se amplificará a aproximadamente un millón de vatios. La potencia es igual al consumo de electricidad de un gran vecindario en Haifa en Israel.

Podemos utilizar la salida de luz alta, por ejemplo, para estimular varias interacciones luz-materia en la región entre los espejos “.

De hecho, un millón de vatios están compuestos por la misma partícula de luz que viaja hacia adelante y hacia atrás a través de la materia, pero la materia no “sabe” que es la misma partícula de luz que se mueve repetidamente a través de la materia, ya que los fotones son indistinguible.

Solo “siente” el gran poder.

En un dispositivo de este tipo también es importante que el millón de vatios pase a través de un área de sección transversal pequeña. De hecho, el dispositivo desarrollado por Kher-Alden conduce la luz en 10 millones de viajes circulares. En ellos la luz se enfoca en un área del haz 10,000 veces más pequeña que el área de la sección transversal de un cabello. Al hacer esto, Kher-Alden ha logrado un récord mundial en la mejora resonante de la luz.

El resonador desarrollado por los investigadores del Technion está hecho de una pequeña gota de aceite muy transparente de aproximadamente 20 micrones de diámetro, una cuarta parte del grosor de un cabello. Usando una técnica llamada “fórceps ópticos”, la gota se mantiene en el aire con luz.

Esta técnica se utiliza para mantener la gota en el aire sin material de soporte, lo que puede dañar su forma esférica o ensuciar la gota. Según el profesor Carmon, “este ingenioso invento óptico, las pinzas ópticas, se usa mucho en química, dispositivos de micro-flujo y más. Por lo tanto son precisamente los investigadores ópticos quienes apenas lo usan, un poco como el zapatero que camina descalzo.

En el presente estudio, mostramos que las pinzas ópticas tienen un enorme potencial en el campo de la ingeniería óptica.

Las pequeñas dimensiones de la gota también mejoran la integridad esférica, porque la gravedad apenas la distorsiona, ya que es marginal en estas dimensiones en relación con las fuerzas de tensión superficial en la interfaz del líquido que le dan una forma esférica.

En el sistema único desarrollado por los investigadores de Technion, la gota de aceite es sostenida por un rayo láser y recibe la luz de otra fibra, que también recibe la luz de regreso después de que ha pasado a través del resonador.

Qué sucedió dentro de la gota?

Con base en las propiedades de la luz que regresa a la fibra, los investigadores pueden saber qué sucedió dentro de la gota.

Por ejemplo, pueden apagar la luz que ingresa al resonador y examinar cuánto tiempo sobrevivirá un fotón en el resonador antes de que se desvanezca. Con base en estos datos y la velocidad de la luz, pueden calcular el número de rotaciones que hace el fotón (en promedio) en una gota. Los resultados muestran un récord mundial en amplificación de luz: 10,000,000 rotaciones que atraviesan un área de sección transversal de aproximadamente una micra al cuadrado, aumentando la luz 10 millones de veces.

 

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