Cualquier estudiante de física sabe que la luz viaja en línea recta. Pero ahora los investigadores han demostrado que la luz también puede viajar en una curva, sin ninguna influencia externa. El efecto es en realidad una ilusión óptica, aunque los investigadores afirman que podría tener usos prácticos, como mover objetos con la luz desde lejos.
Es bien sabido que la luz se curva. Cuando los rayos de luz pasan del aire al agua, por ejemplo, dan un giro brusco; por eso un palo sumergido en un estanque parece inclinarse hacia la superficie. En el espacio, los rayos de luz que pasan cerca de objetos muy masivos, como las estrellas, se ven viajar en curvas. En cada caso, la curvatura de la luz tiene una causa externa: En el caso del agua, es un cambio en una propiedad óptica llamada índice de refracción, y en el caso de las estrellas, es la naturaleza deformante de la gravedad.
Sin embargo, que la luz se doble por sí misma es algo inaudito, casi. A finales de la década de 1970, los físicos Michael Berry, de la Universidad de Bristol, en el Reino Unido, y Nandor Balazs, de la Universidad Estatal de Nueva York, en Stony Brook, descubrieron que la llamada onda de Airy, una onda que describe cómo se mueven las partículas cuánticas, a veces puede curvarse en una pequeña cantidad. Ese trabajo fue ignorado en gran medida hasta 2007, cuando Demetri Christodoulides y otros físicos de la Universidad de Florida Central en Orlando generaron versiones ópticas de las ondas Airy manipulando la luz láser, y descubrieron que el haz resultante se curvaba ligeramente al cruzar un detector.
¿Cómo funcionó esta auto-curvatura? La luz es un amasijo de ondas, y sus picos y valles pueden interferir entre sí. Por ejemplo, un pico que pasa por una depresión se anula para crear oscuridad; un pico que pasa por otro pico «interfiere constructivamente» para crear un punto brillante. Ahora, imagine que la luz se emite desde una franja ancha, tal vez un tubo fluorescente o, mejor, un láser cuya salida se ha ampliado. Controlando cuidadosamente la posición inicial de los picos de las ondas -la fase de las ondas- en cada paso de la franja, es posible hacer que la luz que viaja hacia el exterior interfiera constructivamente sólo en los puntos de una curva y se anule en el resto. La función de Airy, que contiene oscilaciones rápidas pero decrecientes, demostró ser una forma fácil de definir esas fases iniciales, salvo que la luz resultante sólo se curvaría hasta unos 8°.
Ahora, los físicos Mordechai Segev y sus colegas del Technion, el Instituto de Tecnología de Israel, en Haifa, afirman tener una receta para hacer que la luz se doble por sí misma en cualquier ángulo, incluso en un círculo completo. El problema de la función de Airy, dice Segev, es que la forma de sus oscilaciones especifica las fases correctas sólo en ángulos pequeños; en ángulos mucho mayores de 8°, la forma se convierte en una burda aproximación. Así que su grupo recurrió a las ecuaciones de Maxwell, el cuarteto de fórmulas matemáticas de 150 años de antigüedad que describe la propagación de ondas electromagnéticas como la luz. Después de laboriosas matemáticas y conjeturas, los investigadores encontraron soluciones a las ecuaciones de Maxwell que describen con precisión las fases iniciales requeridas para que la luz se autoflexione de verdad, como informan esta semana en Physical Review Letters.
«La función de Airy es una solución para un caso aproximado», dice Segev. «Si quieres llegar a ángulos grandes, debes tener la forma adecuada. La gente pensaba que no había una forma adecuada, que la solución siempre se vendría abajo, pero hemos demostrado que eso es erróneo.»
El trabajo del grupo de Segev podría haber seguido siendo teórico, pero por coincidencia, un grupo dirigido por John Dudley en la Universidad de Franche-Comté en Besançon, Francia, ha estado realizando sus propios experimentos sobre la luz autoflexible. Modificando la función de Airy existente, el grupo de Dudley consiguió encontrar valores de fase iniciales que coinciden con la solución del grupo israelí, a pesar de no conocerla. Utilizando un dispositivo llamado modulador espacial de luz para preajustar la fase de un haz expandido de luz láser, el grupo francés descubrió que la luz resultante se autocurvaba hasta 60º, como informará a finales de este mes en Optics Letters.
La luz autocurvada podría dar un giro de tuerca a las pinzas ópticas. Estos dispositivos, que se desarrollaron en la década de 1980, utilizan la fuerza creada por la luz láser intensa para sujetar objetos microscópicos en el aire. Segev cree que sustituyendo los rayos láser por luz autocurvada, los investigadores podrían obligar a los objetos atrapados a recorrer trayectorias complejas sin tocarlos. De este modo, la luz curvada podría alejar selectivamente las células de una muestra biológica, lo que supondría una gran ventaja para los bioingenieros.
El físico Pavel Polynkin, de la Universidad de Arizona en Tucson, sugiere otra aplicación: «hacer un agujero curvo a través de un material, lo que sería imposible con un láser normal». Pero a pesar de estas aplicaciones, señala que la luz en sí misma no se curva, sólo lo parece, debido a la forma en que se alinean los puntos brillantes de interferencia. De hecho, dice, la mayor parte de la potencia de la luz no se dirige a la curva brillante, sino a las zonas oscuras que han sido anuladas. «No discuto la importancia científica del artículo», añade. «Informa de una importante contribución. … hasta ahora no se ha roto ninguna ley física fundamental, y eso es algo bueno, en mi opinión».