Por primera vez, los científicos han demostrado que pueden enviar luz a través de «rendijas» en el tiempo.

El nuevo experimento es un giro en una demostración de 220 años, en la que la luz brilla a través de dos rendijas en una pantalla para crear un patrón de difracción único en el espacio, donde los picos y valles de la onda de luz se suman o cancelan. En el nuevo experimento, los investigadores crearon un patrón similar en el tiempo, esencialmente cambiando el color de un pulso láser ultrabreve.

Los hallazgos allanan el camino para avances en computadoras analógicas que manipulan datos impresos en haces de luz en lugar de bits digitales; incluso podría hacer que tales computadoras «aprendan» de los datos. También profundizan nuestra comprensión de la naturaleza fundamental de la luz y sus interacciones con los materiales.

Para el nuevo estudio, descrito el 3 de abril en la revista Nature Physics(se abre en una pestaña nueva), los investigadores utilizaron óxido de indio y estaño (ITO), el material que se encuentra en la mayoría de las pantallas de los teléfonos. Los científicos ya sabían que ITO podía cambiar de transparente a reflectante en respuesta a la luz, pero descubrieron que ocurre mucho más rápido de lo que se pensaba anteriormente, en menos de 10 femtosegundos (10 millonésimas de una billonésima de segundo).

«Fue una sorpresa muy grande y al principio era algo que no podíamos explicar», dijo el autor principal del estudio, Riccardo Sapienza.(se abre en una pestaña nueva), un físico del Imperial College London, dijo a WordsSideKick.com. Finalmente, los investigadores descubrieron por qué la reacción ocurrió tan rápido al examinar la teoría de cómo los electrones en ITO responden a la luz incidente. «Pero nos tomó mucho tiempo entenderlo».

Intercambio de tiempo por espacio

El científico inglés Thomas Young demostró por primera vez la naturaleza ondulatoria de la luz utilizando el ahora clásico experimento de «doble rendija» en 1801. Cuando la luz brilla en una pantalla con dos rendijas, las ondas cambian de dirección, de modo que las ondas que salen de una rendija se superponen con las de la otra. ondas que vienen a través del otro. Los picos y valles de estas ondas se suman o se anulan, creando franjas brillantes y oscuras, llamadas patrones de interferencia.

En el nuevo estudio, Sapienza y sus colegas recrearon tal patrón de interferencia en el tiempo haciendo brillar un pulso láser de «bomba» en una pantalla recubierta de ITO. Mientras que el ITO era inicialmente transparente, la luz del láser cambió las propiedades de los electrones dentro del material para que el ITO reflejara la luz como un espejo. Un rayo láser de «sonda» posterior que golpea la pantalla ITO vería este cambio temporal en las propiedades ópticas como una rendija en el tiempo de unos pocos cientos de femtosegundos de duración. El uso de un segundo pulso de láser de bomba hizo que el material se comportara como si tuviera dos rendijas en el tiempo, un análogo de la luz que pasa a través de dobles rendijas espaciales.

Mientras que pasar a través de rendijas espaciales convencionales hace que la luz cambie de dirección y se extienda, a medida que la luz pasaba a través de estas «rendijas de tiempo» gemelas, cambiaba de frecuencia, que está inversamente relacionada con su longitud de onda. Es la longitud de onda de la luz visible la que determina su color.

En el nuevo experimento, el patrón de interferencia apareció como franjas o picos adicionales en los espectros de frecuencia, que son gráficos de la intensidad de la luz medida en diferentes frecuencias. Al igual que alterar la distancia entre las rendijas espaciales cambia el patrón de interferencia resultante, el retraso entre las rendijas de tiempo dicta el espaciado de las franjas de interferencia en los espectros de frecuencia. Y el número de franjas en estos patrones de interferencia que son visibles antes de que su amplitud disminuya al nivel del ruido de fondo revela qué tan rápido están cambiando las propiedades de ITO; los materiales con respuestas más lentas producen menos franjas de interferencia detectables.

Esta no es la primera vez que los científicos descubren cómo manipular la luz a través del tiempo, en lugar del espacio. Por ejemplo, los científicos de Google dicen que su computadora cuántica «Sycamore» creó un cristal de tiempo , una nueva fase de la materia que cambia periódicamente en el tiempo, a diferencia de los átomos que se organizan en un patrón periódico en el espacio.

Andrea Alù(se abre en una pestaña nueva), un físico de la Universidad de la Ciudad de Nueva York que no participó en estos experimentos pero realizó experimentos separados que crearon reflejos de luz en el tiempo, lo describió como otra «clara demostración» de cómo el tiempo y el espacio pueden ser intercambiables.

«El aspecto más notable del experimento es que demuestra cómo podemos cambiar la permitividad [que define cuánto transmite o refleja la luz un material] de este material (ITO) muy rápido y en una cantidad significativa», dijo Alù a WordsSideKick.com. vía correo electrónico. «Esto confirma que este material puede ser un candidato ideal para la demostración de reflejos de tiempo y cristales de tiempo».

Los investigadores esperan utilizar estos fenómenos para crear metamateriales o estructuras diseñadas para alterar el camino de la luz de formas específicas y, a menudo, sofisticadas.

Hasta ahora, estos metamateriales han sido estáticos, lo que significa que cambiar la forma en que el metamaterial afecta el camino de la luz requiere el uso de una estructura de metamaterial completamente nueva: una nueva computadora analógica para cada tipo diferente de cálculo, por ejemplo, dijo Sapienza.

«Ahora tenemos un material que podemos reconfigurar, lo que significa que podemos usarlo para más de un propósito», dijo Sapienza. Agregó que dicha tecnología podría permitir la computación neuromórfica que imita el cerebro.