La luz estructurada se ha consolidado en los últimos años como una herramienta clave en la óptica moderna. El término luz estructurada se refiere de manera general a radiación electromagnética cuyos atributos como la intensidad, la fase y la polarización se pueden controlar tanto en el espacio como en el tiempo. Entre este tipo de luz compleja, los vórtices de luz – haces que giran alrededor de su eje de propagación – destacan por sus singulares propiedades tanto en aplicaciones fundamentales como tecnológicas.
Recientemente se han popularizado un nuevo tipo de vórtices de luz que presentan un acoplamiento singular entre sus distribuciones espacial y temporal, los denominados vórtices espaciotemporales (STOVs, por sus siglas en inglés). Esta estructura y su evolución organizada en el tiempo les otorgan propiedades únicas que pueden aprovecharse para explorar fenómenos físicos simultáneamente en el espacio y en el tiempo, algo esencial para estudiar dinámicas ultrarrápidas en materiales, moléculas o nanoestructuras.
Nuevo hito en la óptica ultrarrápida y la luz estructurada
Hasta ahora, este tipo de vórtices sólo habían sido observados en longitudes de onda largas y frecuencias bajas, como el infrarrojo o el visible, debido a las limitaciones que poseen los elementos ópticos convencionales a frecuencias más elevadas. En este contexto, la Unidad de Luz y Materia Estructuradas (LUMES) de la Universidad de Salamanca lidera el trabajo internacional que acaba de publicar Nature Photonics. “Este estudio demuestra, por primera vez, que es posible convertir un vórtice espaciotemporal en el infrarrojo al ultravioleta”, informa Rodrigo Martín-Hernández, primer autor del trabajo e investigador de LUMES y ALF-USAL.
El grupo de investigadores ha logrado generar estos vórtices mediante un proceso conocido como generación de armónicos de orden elevado, que convierte pulsos de luz infrarroja en radiación mucho más energética. Además, consiguieron identificar correctamente el tipo de vórtice involucrado: los llamados STOVs elípticos, cuya compleja dinámica de propagación fue clave para interpretar los resultados experimentales.
Múltiples aplicaciones emergentes
El avance de la Universidad de Salamanca supone un paso fundamental hacia la realización de experimentos con resolución espaciotemporal extrema. En palabras de Martín-Hernández, “más allá del resultado técnico, este trabajo abre la puerta a una nueva generación de experimentos que podría redefinir nuestra comprensión de los procesos ultrarrápidos en la naturaleza”.
Los resultados tienen aplicaciones potenciales en espectroscopía avanzada, manipulación de nanopartículas, transmisión de información óptica y, especialmente, en el estudio de dinámicas electrónicas de materiales magnéticos o moléculas quirales.
“Este tipo de investigaciones, que combinan teoría, simulación y experimentos en un régimen tan complejo como la interacción entre óptica altamente no lineal y luz estructurada, no serían posibles sin la interacción estrecha entre grupos con conocimientos muy especializados”, destaca.
Trabajo internacional de vanguardia
La investigación ha sido posible gracias a la colaboración internacional que la USAL mantiene con el grupo experimental de los profesores referentes mundiales en óptica ultrarrápida y generación de armónicos de alto orden de la Universidad de Colorado Boulder (EE.UU.) Margaret Murnane (Honoris Causa por la USAL en 2023) y Henry Kapteyn. Así como, con el profesor Miguel Ángel Porras, de la Universidad Politécnica de Madrid, cuya experiencia en propagación de haces complejos fue clave para el análisis teórico.
Desde la Universidad de Salamanca, el trabajo ha sido liderado por Rodrigo Martín-Hernández, Luis Plaja y Carlos Hernández-García, investigadores del Grupo ALF y de la Unidad de Excelencia LUMES, responsables de desarrollar los modelos teóricos y las simulaciones que permitieron guiar e interpretar con precisión los resultados experimentales.
LUMES, investigación de excelencia en la USAL
Con este estudio, la Unidad de Excelencia LUMES -financiada por el programa de Escalera de Excelencia de la Junta de Castilla y León y recientemente reconocida como Grupo de Investigación de la Universidad de Salamanca- consolida su liderazgo en investigación de frontera en óptica y fotónica y abre nuevas líneas de investigación para explorar la interacción de la luz estructurada con la materia en escalas espaciotemporales sin precedentes.
El proyecto ha recibido financiación del Consejo Europeo de Investigación (ERC) en el marco del programa de investigación e innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea (subvención n.º 851201), del Ministerio de Ciencia e Innovación (subvención PID2022-142340NB-I00), así como de la Junta de Castilla y León y del Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER), a través de la subvención SA108P24 y de la ayuda “Escalera de Excelencia” (subvención CLU-2023-1-02).
