Antiláser Diseñado para la Absorción de Coherencia Perfecta de la Luz

Por: William Brown, científico de Resonance Science Foundation

En 2019, investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts fueron noticia al crear el material "negro más negro" hecho de nanotubos de carbono —diez veces más negro que cualquier material que se hubiera fabricado hasta entonces-, un material tan negro que tenía la capacidad de absorber el 99,995 % de la luz incidente. Esta investigación sobre la absorción de la luz no es una búsqueda trivial o meramente estética, hay muchas tecnologías que pueden beneficiarse de la maximización de la absorción de la luz, por ejemplo, en la energía fotovoltaica debido a la necesidad de absorber y convertir tanta luz como sea posible en electricidad, o en la superficie interior de un sensor de luz debido a la necesidad de reducir al mínimo la luz parásita no deseada. La física de la absorción de la luz puede resultar bastante compleja cuando se entra en detalles, ya que lo que no consideramos técnicamente "negro" no suele ser un absorbente perfecto. De hecho, hay muchas formas de crear algo que pueda absorber algo de luz, pero el esfuerzo se vuelve cada vez más difícil cuanto más se intenta conseguir una absorción del 100%.

Eso requiere algo de física seria.

Ahora, físicos de Austria e Israel informan en la revista Science que han diseñado una trampa de luz que utiliza las propiedades cuánticas de las ondas electromagnéticas -en las que las formas de onda sufren interferencias constructivas o destructivas cuando se combinan de la manera adecuada- para generar un auténtico antiláser que tiene una absorción de luz casi perfecta [1]. Debido a que la trampa de luz funciona esencialmente como un láser invertido en el tiempo, donde en lugar de múltiples pases de luz de una sola longitud de onda para la máxima emisión estimulada de fotones, los múltiples pases están diseñados para una máxima absorción, el dispositivo es un verdadero antiláser.

Al aprovechar las propiedades cuánticas de la luz para lograr una absorción casi perfecta, el antiláser se conoce como un "amortiguador de coherencia perfecta -por sus siglas en inglés CPA ". La ingeniosa configuración, basada en un conjunto de espejos y lentes, atrapa la luz entrante dentro de una cavidad y la obliga a circular para que golpee el medio absorbente repetidamente, hasta que se absorba por completo. Esto tiene el potencial de mejorar varias técnicas de recolección de luz, suministro de energía, control de luz y formación de imágenes.

_{La trampa de luz: El montaje consta de un espejo parcialmente transparente, un absorbedor delgado y débil, dos lentes convergentes y un espejo totalmente reflectante. Debido a unos efectos de interferencia calculados con precisión, el haz de luz incidente interfiere con el haz reflejado entre los espejos, de modo que el haz reflejado acaba extinguiéndose por completo [imagen y descripción de la imagen de Tu Wien].}

En realidad, el dispositivo aprovecha un truco que ya utiliza la naturaleza: por la noche, cuando se ilumina a un gato o a un búho con una linterna, se ve cómo sus ojos reflejan la luz. Esto se debe a que sus ojos tienen una capa de tejido reflectante detrás de la retina, llamada tapetum lucidum, que hace que la luz no absorbida pase a través de la delgada retina y, por tanto, tenga más posibilidades de ser absorbida. Esta es una de las razones por las que los animales nocturnos tienen tan buena visión nocturna. Y es una buena solución al problema de conseguir que la luz se absorba en un material de superficie fina, hacer múltiples pasadas de la luz incidente, justo el tipo de truco que podríamos adaptar para aplicaciones tecnológicas como la captación de luz y las técnicas de captura de imágenes.

Para mejorar aún más el sistema, se podría añadir otra superficie reflectante delante de la retina. La luz rebotaría entre los dos espejos y pasaría varias veces por la superficie que absorbe la luz. Pero no es tan sencillo.

Para que un dispositivo de este tipo funcione, el espejo frontal no puede ser perfectamente reflectante. Tiene que ser parcialmente transparente para que la luz pueda entrar en el sistema. Pero cuando la luz rebota entre los dos espejos, parte de ella se pierde a través del espejo parcialmente transparente. Cuando los investigadores intentaron reproducir este tipo de dispositivos, descubrieron que sólo funcionan con determinados patrones de luz. Mientras que ciertos modos de luz quedan atrapados al chocar repetidamente contra la superficie absorbente, otros tipos de luz, por ejemplo la que entra en el dispositivo con un ángulo de incidencia diferente o tiene una longitud de onda distinta, escapan.

_{Imagen del montaje experimental en el laboratorio de la Universidad Hebrea de Jerusalén [imagen y descripción de Tu Wien].}

Ahora, equipos de investigación de la Universidad Técnica de Viena y de la Universidad Hebrea de Jerusalén han encontrado un truco sorprendente que permite absorber completamente un haz de luz incluso en las capas más finas: los equipos han demostrado que se puede crear una trampa de luz mucho más eficaz si se colocan dos lentes entre los dos espejos. Esencialmente, construyeron una trampa de luz alrededor de la capa delgada utilizando espejos y lentes, en la que el haz de luz se dirige en círculo y luego se superpone sobre sí mismo - exactamente de tal manera que el haz de luz se bloquea a sí mismo y ya no puede salir del sistema. Así, la luz no tiene más remedio que ser absorbida por la capa fina: no hay otra salida.

Aunque el sistema tiene que ajustarse exactamente a la longitud de onda que se desea absorber, el método de absorción-amplificación es un efecto robusto que promete una amplia gama de aplicaciones, no sólo para las tecnologías de captación de luz antes mencionadas, sino que también podría permitir captar perfectamente las señales luminosas que se distorsionan durante su transmisión a través de la atmósfera terrestre, o utilizarse para alimentar de forma óptima las ondas luminosas procedentes de fuentes de luz débiles (como estrellas lejanas) en un detector.

En definitiva, se trata de una herramienta más en la emergente tecnología de modelado de la luz para una amplia variedad de aplicaciones.

_{Por luz estructurada se entiende la adaptación o modelado de la luz en todos sus grados de libertad, ya sea en tiempo y frecuencia, para crear pulsos ultrarrápidos de tiempo adaptado, o, más comúnmente, en el control de los grados de libertad espaciales de la luz, como la polarización, la amplitud y la fase.}

Con el último ejemplo del antiláser, la luz se moldea y estructura para una absorción coherente perfecta.

Referencias

[1] Y. Slobodkin, G. Weinberg, H. Hörner, K. Pichler, S. Rotter, and O. Katz, “Massively degenerate coherent perfect absorber for arbitrary wavefronts,” Science, vol. 377, no. 6609, pp. 995–998, Aug. 2022, doi: 10.1126/science.abq8103.