Curso de colisión: las ondas electromagnéticas interactúan en un experimento innovador

Por el Centro de Investigación Científica Avanzada, GC/CUNY16 de agosto de 2023

Investigadores de CUNY ASRC han descubierto un método para manipular fotones para que puedan colisionar e interactuar utilizando metamateriales personalizados. Este avance podría conducir a avances significativos en telecomunicaciones, informática óptica y aplicaciones energéticas. (Dibujo esquemático de una colisión de fotones en una interfaz de tiempo). Crédito: Anna Umana, Centro de Investigación Científica Avanzada del Centro de Graduados de CUNY

Los investigadores demuestran que es posible hacer que los fotones que se cruzan interactúen, allanando el camino para avances tecnológicos.

A research team at the Advanced Science Research Center at the CUNY Graduate Center (CUNY ASRC) has demonstrated that it is possible to manipulate photons so that they can collide, interacting in new ways as they cross paths. Detailed in the journal Nature PhysicsAs the name implies, Nature Physics is a peer-reviewed, scientific journal covering physics and is published by Nature Research. It was first published in October 2005 and its monthly coverage includes articles, letters, reviews, research highlights, news and views, commentaries, book reviews, and correspondence." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Nature Physics el 14 de agosto, el descubrimiento permitirá a los científicos que desarrollan tecnologías basadas en la propagación de ondas electromagnéticas lograr avances significativos en telecomunicaciones, computación óptica y aplicaciones energéticas.

El avance se produjo en el laboratorio de Andrea Alù, Profesor Distinguido y Profesor Einstein de Física en el Centro de Graduados de la Universidad de la Ciudad de Nueva York y director fundador de la Iniciativa de Fotónica CUNY ASRC. Se basó en otro experimento reciente que demostró reflexiones en el tiempo para ondas electromagnéticas.

“Our work is building on a series of experiments that show how we can create metamaterialsMetamaterials are engineered materials that have properties not usually found in nature." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> metamateriales con propiedades únicas que surgen de variaciones abruptas en el tiempo de sus propiedades electromagnéticas. Estas variaciones nos permiten manipular la propagación de las ondas de formas que no se ven en la naturaleza”, explicó Alù. “Este trabajo más reciente muestra que podemos utilizar cambios temporales abruptos en metamateriales personalizados, conocidos como interfaces de tiempo, para hacer que las ondas colisionen como si fueran objetos masivos. También pudimos controlar si las ondas intercambiaban, ganaban o perdían energía durante estas colisiones”.

Normalmente, cuando dos ondas electromagnéticas se cruzan, se mueven entre sí sin interactuar. Esto es muy diferente de lo que sucede cuando dos objetos masivos, como dos bolas, chocan entre sí. En el último caso, las partículas chocan y sus características mecánicas determinan si la energía se conserva, se pierde o aumenta en la colisión. Por ejemplo, cuando dos bolas de billar chocan, la energía total del sistema se conserva, mientras que cuando dos bolas de goma chocan, normalmente pierden energía en la colisión.

Although photons would be expected to go through each other without any interaction, by triggering a time interface the scientists were able to demonstrate strong photonA photon is a particle of light. It is the basic unit of light and other electromagnetic radiation, and is responsible for the electromagnetic force, one of the four fundamental forces of nature. Photons have no mass, but they do have energy and momentum. They travel at the speed of light in a vacuum, and can have different wavelengths, which correspond to different colors of light. Photons can also have different energies, which correspond to different frequencies of light." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">interacciones fotón-fotón y controlar la naturaleza de la colisión.

El trabajo del equipo de investigación se inspiró en la especulación sobre si sería posible borrar una onda mecánica no deseada, como un tsunami o una onda sísmica, lanzando otra onda similar contra ella para contrarrestarla. "Si bien tal resultado es imposible en la física ondulatoria convencional, sabíamos que era posible en principio con un metamaterial temporal", dijo Emanuele Galiffi, becario postdoctoral en el laboratorio de Alù y autor principal del estudio. "Nuestro experimento nos permitió demostrar este concepto en acción para ondas electromagnéticas".

Los científicos también propusieron y demostraron una aplicación de su concepto para dar forma a pulsos electromagnéticos haciéndolos chocar entre sí. Gengyu Xu, becario postdoctoral del laboratorio de Alù y coautor principal del artículo, explicó: “Esta técnica nos permite utilizar una señal adicional como molde para esculpir un pulso que estamos interesados ​​en estructurar. Hemos demostrado esto para frecuencias de radio y ahora estamos trabajando para lograr esta capacidad de esculpir en frecuencias más altas”.

Los esfuerzos del equipo para desarrollar métodos que determinen cómo interactúan las ondas electromagnéticas que se propagan y se dan forma entre sí podrían aportar beneficios a las tecnologías de comunicaciones inalámbricas, imágenes, informática y recolección de energía, entre otros avances.

Referencia: “Control de ondas coherentes de banda ancha a través de colisiones fotónicas en interfaces temporales” por Emanuele Galiffi, Gengyu Xu, Shixiong Yin, Hady Moussa, Younes Ra'di y Andrea Alù, 14 de agosto de 2023, Nature Physics.02165-6