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Artículo de investigador del INAOE, entre lo mejor de la Óptica de 2021

Santa María Tonantzintla, Puebla, a 23 de noviembre de 2021. Un artículo científico publicado por un investigador del Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica (INAOE) e investigadores de la Universidad de Witwatersrand, Sudáfrica, ha sido considerado como uno de los trabajos de Óptica más importantes del año y como un parteaguas que abrirá muchas puertas en la Física actual.

Se trata del artículo “Demostrating Arago-Fresnel laws with Bessel beams from vectorial axicons”, publicado por el Dr. Sabino Chávez Cerda, investigador del INAOE, en colaboración con Keshaan Singh, Wagner Tavares-Buono y Andrew Forbes de la Universidad de Witwatersrand, el pasado mes de octubre en el Journal of the Optical Society of America. A la fecha, dicho artículo es uno de los más descargados de dicha publicación en las últimas semanas.

Este trabajo es, de hecho, la demostración de un fenómeno conocido, pero por muchos años olvidado: la interferencia de haces con polarización ortogonal, estudiado por Augustin Fresnel y Francois Arago ya en el siglo diecinueve. En este caso, se estudió la interferencia usando haces Bessel.

El citado trabajo fue seleccionado para el Spotlight on Optics de la Optical Society of America (OSA)¹ porque se consideró que cambiará la forma en cómo se explicará la Física en el futuro. Otro aspecto relevante es que este fenómeno físico está relacionado con el enlazamiento, o los estados entrelazados, y con la teletransportación en la Mecánica Cuántica. Es importante subrayar que menos del cinco por ciento de todas las publicaciones de la OSA se incluye en el Spotlight. Se espera que en el futuro este trabajo genere una nueva tendencia.

En entrevista, el Dr. Sabino Chávez, Fellow de la OSA y Premio Europeo de Óptica 2003, comenta: “Se sabe que la luz es una onda, y la luz tiene varias características, una de ellas es la polarización. Por ejemplo, imaginemos un grupo de niñas saltando una cuerda, en cada extremo hay una niña y una de ellas agita la cuerda de arriba hacia abajo formando una onda vertical que se dirige a la niña en el otro extremo y si se hace de forma horizontal la onda es horizontal. La luz se comporta de manera similar: es una onda que puede tener esas mismas orientaciones a las cuales llamamos polarización, en este ejemplo la luz tiene polarización vertical y horizontal, y en general puede tener cualquier inclinación, como sucede con una cuerda de saltar. Al hacer incidir dos o más ondas de luz (haces) con la misma polarización, se genera un fenómeno al que conocemos como interferencia, lo que permite ver franjas brillantes y oscuras”.

Normalmente, cuando se estudia la interferencia no se toma en cuenta el estado de polarización de la luz porque se considera que cada haz tiene la misma polarización. Durante varios años, el Dr. Chávez Cerda ha estudiado los haces Bessel y ha demostrado que estos haces son, de hecho, un fenómeno de interferencia, es decir, son la suma de dos ondas, sólo que en este caso las ondas viajan a lo largo de conos y se les llama ondas cónicas. Sus investigaciones sobre el tema le valieron el reconocimiento de Fellow de la OSA por sus contribuciones y liderazgo en este campo y también el Premio Europeo de Óptica, que obtuvo junto con colegas del INAOE y la Universidad St. Andrews en Escocia.

Dr. Sabino Chávez Cerda. Foto: archivo INAOE.

“Una característica importante de estos haces es que aparentemente en todo el espacio permanecen con el mismo ancho. En contraste al caso de un apuntador láser, en el que el haz primero sale pequeñito, pero con la distancia se va abriendo cada vez más, a esto le llamamos difracción. Los haces Bessel tienen la propiedad de que conforme los mides en distintas distancias permanecen iguales, aparentemente no se difractan, lo que en principio viola las leyes de la Física. Por décadas, muchos investigadores tuvieron problemas para entenderlos. Pasé varios años estudiándolos para comprender su origen hasta que finalmente con la ayuda de la Física-Matemática me di cuenta de que en realidad son el resultado de la interferencia de dos ondas, no es un haz”, explica.

El investigador agrega que cuando se estudia la interferencia, se deja de lado  la polarización: “Hace muchos años Arago y Fresnel demostraron el comportamiento ondulatorio de la luz que en su momento propuso el mismo Fresnel, quien ganó el premio de la Academia de Francia al demostrar que la luz tiene un comportamiento ondulatorio, Arago le ayudó a hacer los experimentos. En ese tiempo se preguntaron qué pasaría si se jugaba con la polarización y se descubrió que cuando se tienen dos haces y los dos están polarizados en la misma dirección, vertical, por ejemplo, interfieren, pero si uno tiene polarización vertical y el otro horizontal, es decir sus polarizaciones son ortogonales, no interfieren. A esto se le conoce como las Leyes de Arago - Fresnel, pero curiosamente los libros de texto actuales se han olvidado de ello y sólo se preocupan por la interferencia”.

Actualmente, al fenómeno de interferencia es parte de lo que se conoce como campos estructurados. Sin embargo, nadie se había preocupado de investigar qué sucede cuando hay haces Bessel con dos polarizaciones diferentes, una vertical y una horizontal: “Lo que yo sostenía es que si generamos la mitad de un haz Bessel con la polarización vertical y la otra mitad horizontalmente se destruiría el haz Bessel. Por ello, les propuse el experimento a mis colegas de Sudáfrica para demostrar un fenómeno aparentemente trivial. Pero como los campos estructurados se han vuelto tendencia en los últimos diez años, estamos tratando de entender por qué y cómo se forman. Este simple experimento traerá muchas consecuencias en el entendimiento de la Física de los haces estructurados y de los haces Bessel”.

El Dr. Chávez refiere que cuando se realizó el experimento en Sudáfrica se vio que los campos estructurados tienen características interesantes que los colegas experimentales no se esperaban. “Cuando me mostraron los resultados experimentales y me preguntaron si eso era lo que yo esperaba, emocionado les dije que sí. Yo hice una predicción teórica, les dije qué debían encontrar en los experimentos.  Y sus resultados experimentales concordaron perfectamente con mis predicciones teóricas. Esto se puede ver en las imágenes en el artículo. Luego me preguntaron que a qué se debían esos resultados,  y les envié mis cálculos para demostrarles a qué se debían los mismos. Después ellos se dieron cuenta de que en estas imágenes experimentales la polarización cambia a lo largo de todo el patrón porque los haces son ortogonales y la interferencia depende de la amplitud y por eso se ve que en distintos puntos la polarización varía”.

El resumen en “Spotlight on Optics” y el artículo científico (open Access) se pueden consultar en https://www.osapublishing.org/spotlight/summary.cfm?id=453955.

1. La Optical Society of America ha cambiado su razón social a Optica.