El sonido controla la luz. 04.02.2015

A principios del siglo pasado, el físico soviético Leonid Mandelstam demostró teóricamente que las vibraciones del sonido en una sustancia transparente pueden dispersar la luz que pasa a través de esta sustancia. Las ondas de sonido provocan cambios locales en la densidad del medio y, como resultado, cambian el índice de refracción. Como resultado de tal dispersión, se pierde parte de la energía luminosa. Independientemente de Mandelstam, el físico estadounidense Leon Brillouin llegó a los mismos resultados. Como resultado, la interacción del sonido y la luz en medios transparentes se denominó efecto Mandelstam-Brillouin.

Sin embargo, no nos damos cuenta de que la música alta dispersa la luz de una bombilla, como, por ejemplo, la luz de los faros de los automóviles se dispersa en la niebla. El efecto se notará solo si, en lugar de una bombilla ordinaria, tomamos una fuente de radiación monocromática: un láser. El hecho es que el rayo láser es una radiación electromagnética con una longitud de onda, que determina su "color". El rayo rojo tiene una longitud de onda, el rayo verde tiene otra.

Ahora tomemos una línea de datos de fibra óptica. El principio de su funcionamiento es que la información se transmite cambiando la intensidad de un haz de luz que se propaga a lo largo de un hilo de vidrio transparente. Un solo hilo de fibra óptica se puede usar simultáneamente para transmitir datos a través de cientos de canales, simplemente usando haces de luz de diferentes longitudes de onda. Cada canal corresponde a una longitud de onda láser específica. Es bastante similar con la transmisión de datos a través de ondas de radio, excepto por una cosa: si aumentamos la potencia del transmisor de radio, entonces aumenta la potencia de la señal y el alcance de su recepción. Si aumentamos la potencia del láser para transmitir una señal a través de una fibra óptica, la transmisión se deteriora: cada vez más la señal comenzará a perderse debido a la dispersión de Mandelstam-Brillouin. Por lo tanto, existe un umbral de potencia de la señal que no tiene sentido superar, de lo contrario, la luz transmitida simplemente se reflejará.

¿Qué hicieron los físicos de la Universidad de Illinois? En un delgado hilo de fibra óptica, fijaron una pequeña esfera de vidrio. Este diseño se llama resonador óptico de anillo. Un rayo láser de un filamento de fibra óptica ingresa al resonador y, debido a la reflexión interna múltiple, permanece en él, como en una trampa. El punto clave del experimento fue el segundo rayo láser, con una frecuencia que difiere de la original en cierta cantidad. La diferencia en las frecuencias de los rayos láser correspondía a la frecuencia de las vibraciones acústicas del material de la esfera. Esto hizo que el sistema de fibra óptica y resonador fuera transparente para el primer haz.

Lo que es más sorprendente, dicho sistema resultó ser transparente a los rayos desde un solo lado. Resultó ser una especie de torniquete óptico: la luz pasa por un lado y no puede pasar por el otro. Una propiedad tan interesante surge debido a la compleja interacción de dos rayos de luz y ondas acústicas en un material: el efecto de dispersión de Mandelstam-Brillouin. Solo que en este caso, en lugar de impedir el paso de la viga a través de la fibra, él, por el contrario, le proporcionó un pasillo libre.

El descubrimiento de tales propiedades permitirá crear circuladores y aisladores ópticos en miniatura, necesarios para los sistemas de fibra óptica y, en el futuro, para las computadoras cuánticas. Ahora bien, estos dispositivos se basan en el efecto magneto-óptico de Faraday, y los campos y materiales magnéticos se utilizan para transmitir la luz en una sola dirección. El descubrimiento realizado solo ayudará a deshacerse de campos magnéticos innecesarios. Además, se puede usar para cambiar la velocidad de grupo de un haz de luz: lo que los físicos llaman luz "rápida" y "lenta", se necesita para almacenar información cuántica.