Formulan una teoría que permitirá diseñar láseres basados en la física cuántica
Un equipo de investigación de cinco países coordinado por Germán J. de Valcárcel Gonzalvo, catedrático de Óptica de la Universitat de València (UV), ha desarrollado una nueva teoría —la ecuación maestra coherente— que describe el comportamiento de los láseres pulsados basados en materiales rápidos y destaca sus efectos de coherencia cuántica (capacidad de los electrones del material y de la luz de oscilar al unísono durante un tiempo). Estos láseres pueden emitir pulsos de luz intensos de una milmillonésima parte de segundo de duración a un ritmo constante y tienen gran impacto tecnológico y científico.
La investigación, publicada en la revista Nature Communications, abre las puertas al diseño de nuevos tipos de láseres, especialmente con materiales semiconductores, desde la teoría cuántica, que describe en particular las interacciones entre los electrones de la materia y la radiación luminosa.
Los láseres pulsados mode-locked (ML) encuentran gran variedad de aplicaciones en técnicas médico-quirúrgicas, de microscopia, espectroscopia o telecomunicaciones, así como en experimentos de ciencia básica que permiten la investigación de fenómenos fundamentales. Son importantes también en metrología de precisión basada en peines de frecuencias ópticas (un tipo de radiación utilizada, entre otros, en tecnologías GPS o en teledetección), las cuales valieron el premio Nobel en Física a John L. Hall y Theodor W. Hänsch en el año 2005.
Los orígenes de los láseres ML se remontan prácticamente al mismo nacimiento del láser en 1960, si bien no es hasta el año 1975 cuando se dispone de una teoría sencilla y predictiva de su comportamiento, explica Germán de Valcárcel. Este marco, denominado ecuación maestra, fue desarrollado por Hermann A. Haus y ha sido aplicado con gran éxito a multitud de tipos de láser ML.
El equipo de investigación de España, Francia, Italia, Nueva Zelanda y Reino Unido ha trabajado sobre las limitaciones de esta teoría, que, entre otros, no puede explicar el comportamiento de estos láseres cuando la respuesta del medio amplificador es rápida respecto a la frecuencia de repetición de los pulsos.
Para superar esta situación, los investigadores han llevado a cabo un conjunto de experimentos con láseres basados en semiconductores que confirman las predicciones teóricas de su propuesta —la ecuación maestra coherente— la cual también permite explicar los efectos coherentes cuánticos observados por otros grupos en experimentos anteriores.
“La nueva teoría abre las puertas a explotar la rica fenomenología de estos efectos en el diseño de nuevos tipos de láser ML, que podrían dar lugar a nuevas funcionalidades y usos, especialmente en áreas como la metrología de precisión o las comunicaciones ópticas”, ha explicado Germán de Valcárcel.
El trabajo forma parte de los objetivos del proyecto «Dinámica no lineal y fluctuaciones cuánticas de cavidades ópticas» (Proyecto de Investigación de Excelencia FIS2017-89988P del Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades) del cual Germán de Valcárcel es investigador principal junto con Eugenio Roldán, y en el que participan Fernando Silva y Adolfo Esteban-Martín, todos ellos profesores y miembros del grupo de Óptica Cuántica, Óptica No Lineal y Física del Láser de la Universitat de València.
Referencia bibliográfica
M. Perego, B. Garbin, F. Gustave, S. Barland, F. Prati & G. J. de Valcárcel, Coherent master equation for laser modelocking. Nature Communications 11, 311 (2020).
Fuente: UV