Accelerant raigs de llum en un espai corbat

Fer brillar un làser al llarg de la carcassa interior d'una bombeta incandescent ha permès als físics realitzar la primera demostració experimental de com un feix de llum accelera en un espai corbat. En comptes de moure's per una trajectòria geodèsica (la ruta més curta en una superfície corba), el feix accelerador s'allunya de la trajectòria geodèsica com a resultat de la seva acceleració.

Anteriorment s'havien demostrat acceleracions de raigs de llum sobre superfícies planes, sobre les quals la seva acceleració els fa seguir trajectòries corbes en lloc de línies rectes. L'ampliació dels raigs acceleradors a les superfícies corbes obre les portes a possibilitats addicionals, com ara emular fenomens de relativitat general (per exemple, lents gravitacionals) amb dispositius òptics al laboratori.
Els físics, Anatoly Patsyk, Miguel A. Bandres i Mordechai Segev al Technion - Israel Institute of Technology, juntament amb Rivka Bekenstein a la Universitat de Harvard i el Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, van publicar un document sobre els raigs de llum accelerats en un espai corbat en un número recent de la revista Physical Review X.

Aquest treball obre les portes a una nova via d'estudi en el camp dels raigs acceleradors ja que, fins ara, els raigs acceleradors només s'estudiaven en un mitjà amb una geometria plana, com és un espai lliure pla o guies d'ona. En el treball actual, els raigs òptics segueixen trajectòries corbes en un mitjà corbat.
En els seus experiments, els investigadors van transformar per primera vegada un feix làser comú en un accelerador reflectint el feix de làser fora d'un modulador de llum espacial. Com expliquen els científics, això crea un front d'ones específic al raig. El feix resultant s'accelera i manté la forma, el que significa que no s'expandeix, ja que es propaga en un mitjà corbat, com ho farien els ragis de llum normals. El feix d'acceleració es llança a la envolupant d'una bombeta incandescent de manera que es va dispersar la llum i fer visible la propagació del raig.
Al moure's per l'interior de la bombeta, el feix accelerador segueix una trajectòria que es desvia de la línia geodèsica. Per a la comparació, els investigadors també van llançar un feix no accelerador dins de la bombeta, i van observar que aquest feix segueix la línia geodèsica. En mesurar la diferència entre aquestes dues trajectòries, els investigadors podrien determinar l'acceleració del feix accelerador.

Mentre que la trajectòria d'un feix accelerador sobre una superfície plana està determinada íntegrament per l'amplada del feix, el nou estudi mostra que la trajectòria d'un feix accelerador sobre una superfície esfèrica està determinada tant per l'ample del feix com per la curvatura de la superfície. Com a resultat, un feix accelerador pot canviar la seva trajectòria, així com un focus periòdicament, a causa de la curvatura.
La capacitat d'accelerar els raigs de llum al llarg de superfícies corbes té una varietat d'aplicacions potencials, una de les quals és l'emulació de fenomens de la relativitat general.

Les equacions d'Einstein de la relativitat general determinen, entre altres aspectes, l'evolució de les ones electromagnètiques en un espai corbat. Resulta que l'evolució de les ones electromagnètiques en un espai corbat d'acord amb les equacions d'Einstein equival a la propagació d'ones electromagnètiques en un mitjà material descrit per les susceptibilitats elèctriques i magnètiques que es poden variar en l'espai. Aquest és el fonament de l'emulació de nombrosos fenomens coneguts a partir de la relativitat general per les ones electromagnètiques que es propaguen en un mitjà material, donant lloc als efectes emuladors com la lent gravitacional i els anells d'Einstein.
Els resultats també podrien oferir una nova tècnica de control de nanopartícules en vasos sanguinis, microcanals i altres corbes. L'acceleració dels ragis plasmònics (que estan fetes d'oscil·lacions de plasma en lloc de llum) es podria utilitzar per transferir la potència d'una àrea a una altra sobre una superfície corba. Els investigadors planifiquen explorar aquestes possibilitats i d'altres en el futur.

Font: Physical Review X