Los científicos producen «pseudogravedad» utilizando cristales fotónicos

Los científicos han manipulado la luz para que se comporte como si estuviera afectada por la gravedad utilizando cristales fotónicos distorsionados, abriendo vías para avances en óptica y comunicación 6G.

Manipular el comportamiento de la luz con pseudogravedad.

Un grupo colaborativo de investigadores manipuló el comportamiento de la luz como si estuviera bajo la influencia de la gravedad. Los resultados, que fueron publicados en la revista Revisión física A El 28 de septiembre de 2023 tendrá implicaciones de gran alcance para el mundo de la óptica y la ciencia de los materiales y tendrá importancia para el desarrollo de las comunicaciones 6G.

Una imagen conceptual del cristal fotónico distorsionado y el cristal fotónico. Crédito: K. Kitamura et al.

La teoría de Einstein y la pseudogravedad.

La teoría de la relatividad de Albert Einstein ha establecido desde hace mucho tiempo que la trayectoria de las ondas electromagnéticas (incluidas las ondas electromagnéticas de la luz y los terahercios) puede ser desviada por campos gravitacionales. Recientemente, los científicos han predicho teóricamente que replicar los efectos de la gravedad (es decir, la pseudogravedad) es posible deformando cristales en la región de energía (o frecuencia) normalizada más baja.

«Nos propusimos explorar si la distorsión de la red en cristales fotónicos puede producir efectos de pseudogravedad», dijo la profesora Kyoko Kitamura de la Escuela de Graduados en Ingeniería de la Universidad de Tohoku.

La configuración experimental y los resultados de la simulación de la trayectoria del haz en un DPC. Crédito: ©K. Kitamura et al.

El papel de los cristales fotónicos.

Los cristales fotónicos poseen propiedades únicas que permiten a los científicos manipular y controlar el comportamiento de la luz, actuando como «controladores de tráfico» de la luz dentro de los cristales. Se construyen disponiendo periódicamente dos o más materiales diferentes con diferentes capacidades para interactuar y ralentizar la luz en un patrón regular y repetitivo. Además, se han observado efectos de pseudogravedad debidos a cambios adiabáticos en cristales fotónicos.

Kitamura y sus colegas modificaron los cristales fotónicos introduciendo distorsión de la red: deformación gradual del espaciado regular de los elementos, que interrumpió el patrón de rejilla de los cristales de protones. Esto manipuló la estructura de bandas fotónicas de los cristales, lo que dio como resultado una trayectoria de haz curva en el medio, muy parecida a un rayo de luz que pasa por un cuerpo celeste masivo como un agujero negro.

Los resultados experimentales, con la diferencia de transmisión entre los puertos B y C, muestran claramente la flexión del haz en un DPC. Crédito: K. Kitamura et al.

Detalles e implicaciones del experimento.

En concreto, para su experimento, los científicos utilizaron un cristal de silicio fotónico distorsionado con una constante de red primaria de 200 micrómetros y ondas de terahercios. Los experimentos han demostrado con éxito la desviación de estas ondas.

«Así como la gravedad desvía la trayectoria de los objetos, hemos ideado un medio para desviar la luz dentro de ciertos materiales», añade Kitamura. “Esta orientación del haz en el plano dentro del rango de terahercios podría aprovecharse en la comunicación 6G. Desde una perspectiva académica, los resultados muestran que los cristales fotónicos podrían aprovechar los efectos gravitacionales, abriendo nuevas vías en el campo de la física de gravitones”, afirmó el profesor asociado Masayuki Fujita de la Universidad de Osaka.

Referencia: “Deflexión de ondas electromagnéticas por pseudogravedad en cristales fotónicos distorsionados” por Kanji Nanjyo, Yuki Kawamoto, Hitoshi Kitagawa, Daniel Headland, Masayuki Fujita y Kyoko Kitamura, 28 de septiembre de 2023, Revisión física A.
DOI: 10.1103/PhysRevA.108.033522