Dame Una Nueva Esfera de Poincaré y Empujaré Los Límites de la Realidad

Publicado: 15 septiembre, 2011 en Tecnología
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Veamos en primer lugar qué hace la luz dentro de una fibra óptica. Una fibra óptica es como un pelo, pero de vidrio puro. Al igual que nuestros cabellos están formado por varias capas, la fibra también tiene fundamentalmente tres capas. Un Núcleo,que es el centro por donde viaja la luz, un Revestimiento, que se realiza con un material óptico y cuya función principal es que la luz vuelva al núcleo, la refleja para que no se escape. Por último una Cubierta Externa de plástico, cuya función principal es la de protección.

Imagínate que quieres iluminar con una linterna un pasillo largo y recto…en principio no habría ningún problema, apuntas al final del pasillo y la luz viaja en línea recta. Tu puedes ver el pasillo al completo. Pero si el pasillo tiene alguna esquina, ya no lo verías. Si quieres ver esa zona, deberías poner un espejo en la esquina, de manera que refleje el rayo de luz y la ilumine. Si en lugar de un pasillo tienes un laberinto, ya tendrías que hacer un estudio detallado de cuántos espejos necesitarías poner y dónde, para tener iluminado todo el laberinto. Pues eso exactamente es lo que ocurre en la fibra óptica. El núcleo sería el pasillo, y la luz iría rebotando continuamente por el revestimiento, que serían los espejos en las paredes. Es decir, los fotones avanzan a cabezazos. Si el revestimiento es perfecto, no absorbe nada de luz, por lo que se pueden alcanzar grandes distancias. Pero como nada es perfecto, tanto el revestimiento como el núcleo presentan impurezas que irán degradando la señal. En una fibra monomodo, que son las que se utilizan para transmitir la información a largas distancias, la luz puede tomar un único camino a través del núcleo

La luz es una onda electromagnética, y como tal presenta lo que se llama modo transversal, asociado al frente de onda, es el perfil del campo electromagnético en un plano perpendicular (transversal) a la dirección de propagación de la onda, en este caso, de la luz. Se producen por las condiciones de frontera impuestas, en este,  por la fibra óptica. Los modos son cuantizados y pueden hallarse mediante la solución de las ecuaciones de Maxwell para las condiciones de frontera adecuadas, que en el caso de una fibra son condiciones de contorno cilíndricas. Por lo tanto la luz que entra en la fibra óptica se propaga a través del núcleo en modos, que representan a los diferentes caminos posibles de las ondas luminosas. En concreto en la fibra tenemos lo que se conoce como modo híbrido, ya que existe componente tanto de campo eléctrico como de campo magnético en la dirección de propagación. En concreto  los modos TE01 (Transversal Eléctrico)y TM01 (Transversal Magnético), que serían las soluciones de las ecuaciones de Maxwell para contorno cilíndrico. Créetelo. Esto lo que significa es que la luz dentro de una fibra avanza en zig-zag, cambiando de trayectoria cada vez que choca con la frontera entre el núcleo y el revestimiento.

Un equipo investigador del Institute of Ultrafast Spectroscopy and Lasers, en Nueva York, ha desarrollado una nueva forma de controlar el movimiento de la luz. De esta manera podrán multiplicar los caminos por los que ésta viaja, aumentando considerablemente el ancho de banda que soportan los cables de fibra óptica. Es decir, podrías transmitir más información por el mismo cable. Te vas a hartar de Banda Ancha…

Lo que han planteado estos investigadores, es que cuanto más camino tenga la luz que recorrer, más cantidad de información podrá llevar consigo. Y ya sabemos que la línea recta es el camino más corto, por lo menos en algunas geometrías. De manera que lo que proponen es que la luz en lugar de ir en zig-zag lo haga dibujando una espiral.

La polarización es la manera de imponer una determinada dirección a la luz, al contrario de lo que sucede por ejemplo con una bombilla, cuando la enciendes, la luz emana en todas las direcciones. Lo que queremos nosotros es que la luz vaya por donde le digamos, tal y como sucede en un láser o dentro de la fibra óptica.

Hasta ahora, la forma más simple de luz, en estado fundamental, podía ser mapeada y controlada porque iba por un único camino. La cuestión es que podrían ser ocupados  múltiples caminos en una fibra óptica, los cuales ahora están vacantes, si usáramos una luz más compleja.

La Esfera de Poincaré es un modelo para representar los diferentes estados de polarización de la luz en una esfera. Sirve para estudiar los efectos que producen los medios materiales sobre la polarización de la luz, que interacciona con ellos. Este modelo se ha usado durante mucho tiempo para modelar la luz simple. Esta luz presenta picos y valles, como las olas del mar, y se mueve o vibra en los planos de las ondas. Esos planos de onda cortan a la esfera y se establecen puntos de referencia. Sería algo parecido a cómo se identifica una ubicación en La Tierra, con latitud y longitud.

Pero la luz compleja se mueve tanto con spin como con momento angular orbital, más o menos como el movimiento de nuestra luna, que gira sobre su eje y orbita sobre nuestro planeta.

Este tipo de luz se retuerce como un tornado mientras se desplaza a través del espacio, generando vórtices. Para mapear esos vórtices, los investigadores han extendido la esfera existente y han desarrollado una Esfera de Poincaré de mayor orden. El modelo que han inventado utiliza su Esfera de Poincaré de mayor orden para reducir lo que podrian ser páginas plagadas de compleja matemáticas a ecuaciones simples. La nueva esfera organiza la relación entre los vórtices de la luz, facilitando la comprensión de muchos fenómenos.

¿Para que podría valer esto? Para todo: computación cuántica, transiciones ópticas, incrementar la sensibilidad de la espectroscopía, aumentar la complejidad de la criptografía computacional…y sobre todo, podría empujar los límites de lo que podemos ver…ahí es nada.

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comentarios
  1. Jose A Leon dice:

    Da vértigo pensarlo aunque filo, no me ha quedado muy claro como funciona… no por que no lo expliques mal que lo haces fenomenal, me falta base para entender las posibilidades que nos da la luz. gracias por empezar a iluminarme

  2. es que es un tema bastante complicado de por sí, no te creas que yo se mucho más, me ha costado un montón entenderlo, pero más o menos, la idea se puede intuir…El salto que el jefe del equipo de investigadores da hacia que podría cambiar la realidad de lo que vemos hasta ahora, es lo más sorprendente de todo…a ver si publican algo más y nos aclaran el tema. Estos sueltan la información con cuentagotas.

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