Una investigación demuestra el efecto del campo magnético efectivo para la luz

Una aplicación posible de este estudio es la construcción de aislantes ópticos, integrando transmisiones luminosas y procesamiento electrónico en un mismo chip de silicio. El trabajo salió publicado en Nature Photonics

Por José Tadeu Arantes

Agência FAPESP – Un experimento realizado recientemente en la Cornell University, en Estados Unidos, demostró que los fotones, más allá de ser neutros eléctricamente, pueden comportarse como electrones en presencia de un campo magnético. El resultado de esta investigación, en la cual participó el brasileño Paulo Alberto Nussenzveig, acaba de salir publicado en un artículo de la edición online de la revista Nature Photonics.

Nussenzveig es profesor titular del Instituto de Física de la Universidad de São Paulo (USP) y tomó parte en el experimento de Cornell mediante el apoyo de una beca de investigación en el exterior de la FAPESP.

Una aplicación posible de este descubrimiento es la construcción de aisladores ópticos, que sólo permitirían el paso de la luz en un sentido y no en sentido contrario. Un dispositivo de este tipo podría estar presente en los chips de silicio, combinando transmisiones ópticas y procesamiento electrónico, es decir, integrando comunicaciones y procesamiento computacional en un mismo ambiente.

“El grupo encabezado por Michal Lipson, que realizó el experimento, es pionero en el área”, informó Nussenzveig a Agência FAPESP. El equipo –de cual también formaron parte Lawrence Tzuang, Kejie Fang y Shanhui Fan– realizó un experimento análogo al propuesto en la década de 1950 por los físicos David Bohm (1917-1992) y Yakir Aharonov (1932), pero utilizando fotones en lugar de electrones.

El estadounidense Bohm, uno de los grandes protagonistas de la constitución de la Física Cuántica, autor de dos teorías alternativas al modelo predominante –postulado por la llamada Escuela de Copenhague, liderada por Niels Bohr–, vivió en Brasil y se naturalizó brasileño durante la década de 1950, cuando se vio obligado a dejar Estados Unidos para huir de la persecución política promovida por el macarthismo. Posteriormente se mudó a Israel, antes de radicarse definitivamente en Inglaterra. Y en Israel estudió el efecto luego denominado Aharonov-Bohm, en colaboración con Aharonov, en ese entonces su dirigido.

“Cuando un electrón se propaga en una zona del espacio donde existe un campo magnético, ese campo hace que la trayectoria del electrón se altere. Eso es Física Clásica. Lo que Aharonov y Bohm hicieron fue considerar este fenómeno en el contexto de la Física Cuántica y demostrar que la alteración de la trayectoria puede suceder aun cuando el campo magnético es nulo”, dijo Nussenzveig.

“Ese efecto cuántico sucede siempre y cuando el potencial asociado al campo magnético, también llamado ‘potencial vector’, no sea nulo y presente valores diferentes en dos puntos distintos”, prosiguió.

La explicación de esto indica que la energía conferida al electrón por el potencial trae aparejado un cambio de fase en la onda asociada al desplazamiento del electrón. Cabe recordar que todos los entes materiales pueden describirse como ondas. La constatación del carácter dual ‒ora corpuscular, ora ondulatorio‒ de los entes del mundo atómico y subatómico fue exactamente uno de los puntos de partida para la proposición y el desarrollo de la teoría cuántica.

“Si las variaciones de fase en la ida y en la vuelta del electrón por un camino cerrado fuesen iguales, éste regresaría al punto original con la misma fase de la partida, pues los cambios ocurridos en ambos tramos se compensarían. No obstante, lo que sucede en el caso del efecto Aharonov-Bohm es que la fase de ida es distinta a la fase de vuelta. Y eso trae aparejado un resultado no nulo”, comentó el científico.

“Lo que hicimos fue replicar ese experimento utilizando luz en vez de electrones”, afirmó Nussenzveig. “Y verificamos un desplazamiento de fase no recíproco ‒es decir, distinto en un sentido y en el otro– como si fuese inducido por un flujo de campo magnético. El hecho de que el desplazamiento de fase sea no recíproco significa que la fase acumulada por la luz es distinta según como se inyecte la luz de un lado o del lado contrario del dispositivo.”

Ese comportamiento no recíproco es lo que permite construir aisladores ópticos, en los cuales la luz será íntegramente transmitida en un sentido y no transmitida en otro.

“Nuestro estudio partió de la propuesta de un efecto Aharonov-Bohm fotónico y no electrónico, presentada por dos coautores del trabajo, Kejie Fang y Shanhui Fan, en la revista Physical Review Letters, en 2012.”

“Implementamos esa propuesta experimentalmente, utilizando un proceso de interferometría óptica conocido como interferometría de Ramsey”, dijo Nussenzveig.

“Fue entonces cuando concreté mi principal aporte al estudio, que consistió en presentar las analogías del proceso experimental con la interferometría de Ramsey. Esa analogía fue bastante útil para lograr caracterizar adecuadamente el dispositivo experimental y observar el efecto”, dijo.

Paulo Alberto Nussenzveig y Michal Lipson llevan la Física en sus ADNs, por decirlo de algún modo. Él es hijo de Herch Moysés Nussenzveig, un nombre de referencia de la física contemporánea en Brasil. Y ella, lo es de otro físico ilustre: Reuven Opher, profesor titular del Departamento de Astronomía de la USP. Nacida en Israel, Lipson estudió primero en Brasil, pues empezó su carrera de Física en la USP, pero la terminó en el Israel Institute of Technology (Technion), antes de radicarse en Estados Unidos, donde en la actualidad es docente en Cornell.

Suscriptores de Nature Photonics pueden leer el artículo intitulado Non-reciprocal phase shift induced by an effective magnetic flux for light (doi:10.1038/nphoton.2014.177), de Lawrence D. Tzuang y otros, en la siguiente dirección: www.nature.com/nphoton/journal/vaop/ncurrent/full/nphoton.2014.177.html.