Un equipo de investigadores de la Universidad de Varsovia en Polonia, el Instituto CNRS Pascal en Francia, la Universidad Militar de Tecnología en Polonia y la Universidad de Southampton en Gran Bretaña han demostrado que es posible controlar los llamados puntos excepcionales. Por primera vez, los físicos también observaron la aniquilación de puntos excepcionales de diferentes puntos de descomposición. Puede leer sobre un descubrimiento que puede contribuir a la creación de dispositivos ópticos modernos en el último Nature Communications.

El universo que nos rodea está formado por partículas elementales, la mayoría de las cuales contienen antipartículas. Cuando una partícula y una antipartícula, es decir, materia y antimateria, se encuentran, se produce la aniquilación. Durante mucho tiempo, los físicos han podido producir cuasipartículas y cuasipartículas (excitaciones elementales: carga, vibración, energía) atrapadas en la materia: a menudo en cristales o líquidos. El mundo de las cuasipartículas puede ser muy complejo, aunque, paradójicamente, las propias cuasipartículas ayudan a simplificar la descripción de los fenómenos cuánticos, explica Jacek Szczytko de la Facultad de Física de la Universidad de Varsovia. Sin las cuasipartículas, sería difícil comprender el funcionamiento de los transistores, los LED, los superconductores y algunas computadoras cuánticas. Incluso los conceptos matemáticos abstractos pueden convertirse en cuasipartículas, siempre que puedan implementarse en sistemas físicos. Uno de estos conceptos abstractos son los puntos excepcionales.

Explicar teóricos del CNRS Pascal Institute en Francia, Guillaume Malbusch y Dmitriy Solnichkov. – Los llamados «puntos excepcionales» son parámetros específicos del sistema que dan lugar a similitudes entre dos soluciones diferentes que solo pueden existir en sistemas con pérdidas, es decir, aquellos en los que las oscilaciones se desvanecen lentamente con el tiempo – explica Guillaume Malpuech. – Permite la creación de sensores efectivos, láseres monomodo o transmisión unidireccional. Lo importante es que cada punto excepcional tiene una carga topológica distinta de cero, una determinada característica matemática que describe las propiedades geométricas básicas y le permite determinar el punto excepcional que será la «antipartícula» de otro punto excepcional, agrega Dmitriy Solnichkov.

Científicos de la Universidad de Varsovia y la Universidad Tecnológica Militar, en colaboración con investigadores del CNRS y la Universidad de Southampton, analizaron el resonador óptico lleno de cristal líquido. Los cristales líquidos son una fase especial de la materia en la que se distinguen ciertas direcciones a pesar de su forma líquida. Puede ser examinado, por ejemplo, por un haz de luz, que se comporta de forma diferente según la dirección de incidencia con respecto a los ejes ópticos del cristal líquido. Esta característica, junto con la facilidad de sintonización por un campo eléctrico externo, es la base para el funcionamiento de las pantallas de cristal líquido (LCD) comunes. La luz polarizada, es decir, una dirección específica de las vibraciones del campo eléctrico de una onda electromagnética, «percibe» exactamente la dirección de los ejes ópticos, y estos se relacionan con la dirección de las partículas alargadas en el cristal líquido.

– En la investigación realizada, se colocó una capa de cristal líquido entre dos espejos planos – describe Wiktor Beekke de la Universidad Tecnológica Militar de Varsovia. – Toda la estructura crea una cavidad de luz, a través de la cual solo puede pasar la luz de una longitud de onda específica.

Esta condición se cumple para los llamados modos de resonancia de cavidad, es decir, luz con cierto color (energía), polarización y dirección de propagación. Esto corresponde a un caso en el que un fotón que cae en la cavidad puede rebotar varias veces entre los dos espejos. La presencia de un cristal líquido, cuya dirección puede cambiarse aplicando un voltaje eléctrico, permite ajustar la energía de los modos de la cavidad. Además, el estado de la resonancia cambia cuando la luz incide en un ángulo, lo que en particular puede provocar la intersección de diferentes modos de cavidad entre sí, es decir, tener la misma energía a pesar de la diferente polarización de la luz.

Para la orientación específica del cristal líquido considerado en el artículo, los dos modos de cavidad diferentes solo deben cruzarse para los cuatro ángulos de incidencia específicos de la luz al considerar una estructura ideal sin pérdidas. De hecho, la luz atrapada en la cavidad puede escapar a través de espejos imperfectos o dispersarse. El tiempo promedio que un fotón permanece dentro de la microcavidad se puede determinar sobre la base de mediciones espectroscópicas. Además, debido a la orientación de la capa de cristal líquido, se observa una diferencia en la dispersión de la luz polarizada a lo largo del eje y perpendicular al cristal líquido. Como resultado, en la ubicación de cada punto de decaimiento de una cavidad perfecta sin pérdidas, se observa un par de los llamados puntos excepcionales en los que la energía y el tiempo de vida de un fotón en la cavidad son similares.

Matthews Kroll, primer autor de la publicación, describe la experiencia. – En el sistema ensayado se observó que la posición de los puntos excepcionales se podía controlar variando la tensión aplicada al taladro. En primer lugar, con la reducción de la polarización eléctrica, los puntos excepcionales provocados por diferentes puntos de degeneración se acercan entre sí y, para una tensión baja adecuada, se superponen. Como los puntos convergentes tienen carga topológica opuesta, se aniquilan en el momento del encuentro, por lo que desaparecen, sin dejar puntos excepcionales. – Este tipo de comportamiento de singularidad topológica, es decir, la aniquilación de puntos excepcionales de diferentes puntos de decaimiento, se observa por primera vez. Trabajos anteriores mostraron la aniquilación de puntos excepcionales, pero aparecían y desaparecían exactamente en los mismos puntos de degeneración – añade Ismail Seppi, estudiante de doctorado en el CNRS.

Los puntos excepcionales se han estudiado extensamente en muchos campos diferentes de la física en los últimos años. – Nuestro descubrimiento permitirá la creación de dispositivos ópticos cuyas propiedades topológicas puedan ser controladas por voltaje – concluye Barbara Petka de la Facultad de Física de la Universidad de Varsovia.

Un equipo internacional de científicos llevó a cabo una investigación apoyada, entre otras cosas, por la Subvención Abierta de Investigación e Innovación de la Unión Europea en Horizonte 2020 FET «TopoLight» (964770) y el Centro Nacional de Ciencias de Polonia (NCN).

La física y la astronomía aparecieron en la Universidad de Varsovia en 1816 como parte de la entonces Facultad de Filosofía. En 1825, se estableció el Observatorio Astronómico. Actualmente, la Facultad de Física de la Universidad de Varsovia consta de los siguientes institutos: Física Experimental, Física Teórica, Geofísica, Departamento de Métodos Matemáticos y el Observatorio Astronómico. La investigación cubre casi todas las áreas de la física moderna, en niveles que van desde la cuántica hasta la cosmología. El personal docente e investigador de la facultad consta de más de 200 profesores académicos, 81 de los cuales son profesores. Cerca de 1.000 estudiantes y más de 170 estudiantes de doctorado estudian en la Facultad de Física de la Universidad de Varsovia.

Publicación Científica:

M. Krol, I. Septembre, P. Oliwa, M. Kedziora, K. Lempicka-Mirek, M. Muszynski, R. Mazur, P. Morawiak, W. Bicek, P. Kula, W. Bardyszewski, P. G. Lagoudakis, DD Solnyshkov, G. Malpuech, B. Pietka y J. Szczytko Aniquilación de puntos extraordinarios de los distintos valles de Dirac en un sistema de luz bidimensional

Comunicaciones de la naturaleza 13, 5340 (2022)
https://www.nature.com/articles/s41467-022-33001-9
https://doi.org/10.1038/s41467-022-33001-9

Llamar:

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Materiales gráficos:

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El camino de puntos excepcionales en la parte real del espectro de luz. (Visualización: Matthews Kroll, Fuente: Facultad de Física, Universidad de Varsovia).