Dejar pasar la luz en una dirección pero no en la opuesta

En nuestro entorno cotidiano, si en un determinado espacio la luz puede propagarse de izquierda a derecha, también podrá hacerlo de derecha a izquierda. Un rayo de luz puede habitualmente ser enviado de vuelta al punto de origen, simplemente reflejándolo en un espejo. Unos investigadores han desarrollado un nuevo dispositivo óptico, en la escala nanométrica, que rompe esta regla.

Como en un diodo eléctrico, que permite a la corriente pasar solo en un sentido, el nuevo dispositivo, basado en fibra de vidrio, transmite luz solo en una dirección. La regla de un único sentido se mantiene incluso si el pulso de luz que pasa a través de la fibra consta solo de unos pocos fotones. Dicha "calle de un solo sentido" puede ahora ser utilizada en chips ópticos y por tanto podría llegar a ser importante para el procesamiento de señales ópticas.

Este llamativo avance tecnológico es obra del equipo de Arno Rauschenbeutel, del Centro de Ciencia y Tecnología Cuánticas de Viena, adscrito a la Universidad Tecnológica de Viena, ambas entidades en Austria.

Los elementos que permiten que la luz pase solo en una dirección se llaman “aislantes ópticos”. En su forma básica, tales componentes han estado disponibles durante mucho tiempo. La mayoría de los aislantes ópticos, sin embargo, están basados en el efecto Faraday: se aplica un fuerte campo magnético a un material transparente entre dos filtros de polarización cruzados. La dirección del campo magnético determina entonces la dirección en la se permite que la luz pase.

Por razones técnicas, los dispositivos que usan el efecto Faraday no pueden ser construidos en la escala nanométrica. Otros métodos funcionan solo a intensidades muy elevadas; pero en nanotecnología, es fundamental trabajar con señales de luz extremadamente débiles, que podrían consistir incluso en fotones individuales.

El equipo de Rauschenbeutel eligió un enfoque completamente diferente: se acoplaron átomos alcalinos al campo de luz de una fibra de vidrio ultradelgada. En una fibra de vidrio, la luz puede propagarse hacia adelante o hacia atrás. Existe, sin embargo, otra propiedad de la luz que debe tenerse en cuenta: la dirección de oscilación de la onda de luz, también denominada polarización.

La interacción entre la luz y la fibra de vidrio modifica el estado de oscilación de la luz. La polarización gira, de manera muy parecida a la del rotor de un helicóptero. El sentido de rotación depende de si la luz viaja hacia adelante o hacia atrás. En un caso, la onda de luz oscila en el sentido de las agujas del reloj y, en el otro, en el contrario. La dirección de propagación y el estado de oscilación de la onda de luz están bloqueados entre sí.

Si se prepara a los átomos alcalinos en el estado cuántico adecuado y se les acopla a la luz en la fibra de vidrio ultradelgada, es posible hacerles reaccionar de forma diferente ante los dos sentidos de rotación de la luz. Así, la luz en la dirección hacia adelante no se ve afectada por los átomos. Sin embargo, la luz que viaja hacia atrás y por tanto gira en sentido contrario, se acopla con los átomos alcalinos y es dispersada fuera de la fibra de vidrio.

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