Humberto Michinel (Univ. Vigo, España) y su grupo, padres del concepto de luz líquida, vuelven a ser portada de Physical Review Letters tras observar la formación de burbujas (vacíos) en luz líquida. La colisión de dos solitones brillantes, uno muy estrecho y otro muy ancho, muestra que el muy estrecho se transforma en un solitón oscuro mientras transita dentro del ancho y luego reaparece como solitón brillante tras la interacción.
Un fenómeno realmente curioso que los autores interpretan como la formación (por cavitación) de burbujas en la luz líquida. Este fenómeno se ha estudiado mediante métodos numéricos en la ecuación no lineal de Schrödinger bidimensional para un medio óptico cuyo índice refracción combina un término cúbico (Kerr) y uno de quinto grado (quíntico) de signo opuesto, que soporta la llamada luz líquida. El artículo técnico es Ángel Paredes, David Feijoo, Humberto Michinel, “Coherent Cavitation in the Liquid of Light,” Phys. Rev. Lett. 112: 173901, 30 Apr 2014 [PDF gratis].
La propagación de la envolvente de un paquete de ondas en un medio no lineal está descrita por una ecuación no lineal de Schrödinger para la amplitud, que es una función compleja. La intensidad de la señal es proporcional al cuadrado del módulo de dicha amplitud. Esta ecuación describe la propagación de ondas solitarias que preservan su forma bajo interacciones mutuas, llamadas solitones envolventes. La función no lineal que describe el medio permite la propagación de solitones brillantes (o solitones sech, como el de la figura), solitones oscuros o ambos. Estos solitones han sido observados en medios ópticos no lineales, superfluidos, condensados de Bose-Einstein, plasmas y otros medios no lineales.
En la mayoría de los medios no lineales, el término no lineal principal de la ecuación de Schrödinger es cúbico (en la amplitud de la envolvente). En óptica no lineal este término corresponde a un índice de refracción proporcional a la intensidad de luz (efecto de Kerr). El siguiente término no lineal es de quinto grado (quíntico) y corresponde a un índice de refracción proporcional al cuadrado de la intensidad de luz. Los fenómenos más interesantes se observan en los medios en los que los términos cúbico y quíntico son de signo opuesto (uno actúa enfocando la luz y el otro desenfocándola). Michinel y su grupo introdujeron la luz líquida en esta ecuación hace una década; H. Michinel et al., “Liquid light condensates,” Phys. Rev. E 65: 066604, 2002 [PDF gratis].
La luz líquida fue observada por primera vez en diciembre de 2013 en un gas de átomos de sodio que se comporta un sistema atómico de tres niveles de energía; Zhenkun Wu et al., “Cubic-quintic condensate solitons in four-wave mixing,” Phys. Rev. A 88: 063828, 16 Dec 2013 [PDF gratis]. Esta observación experimental, esperada durante una década, ha vuelto a poner a la luz líquida en el punto de mira de muchos expertos. Muchos fenómenos predichos por las simulaciones numéricas aún no han sido observados. Más aún, la luz líquida seguro que reserva muchas sorpresas, como la objeto de esta noticia.
Michinel y sus colegas han estudiado mediante simulaciones numéricas la interacción entre dos solitones (brillantes) de intensidad (potencia óptica) y tamaño (anchura espacial) muy diferente. Esta figura (portada de PRL) muestra diferentes momentos de la interacción (véase de izquierda a derecha, de arriba hacia abajo). El solitón pequeño provoca ondas dispersivas en el solitón grande y penetra en su interior transformándose en un solitón oscuro respecto a su amplitud; durante la interacción mutua el solitón oscuro recorre la amplitud del solitón grande hasta salir por detrás de nuevo como un solitón brillante.
Este comportamiento (conversión de un solitón brillante en oscuro al interaccionar con una señal de gran anchura y su posterior retorno a solitón brillante tras la interacción) es habitual en este tipo de sistemas no lineales. Sin ánimo de autobombo, mi grupo lo ha observado en la interacción de solitones y kovatones en la ecuación K(cos) de Rosenau-Pikovsky (Julio Garralón, Francisco Rus, Francisco R. Villatoro, “Numerical interactions between compactons and kovatons of the Rosenau–Pikovsky K(cos) equation,” Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation 18: 1576-1588, Jul 2013; arXiv:1208.3514 [math-ph]).
Sin embargo, lo más llamativo para mí es la gran maestría de Michinel para desarrollar sugerentes metáforas para describir sus resultados. Si el solitón ancho es un ejemplo de una “gota de luz líquida” (pues sus interacciones con otros solitones y su reflexión con un contorno se parecen a las de gotas de un fluido), Humberto sugiere que estos pequeños solitones oscuros en el interior de la “gota de luz líquida” son como burbujas de gas dentro de la gota. La metáfora de formación de burbujas (vacíos sin luz) por cavitación dentro de la luz líquida es sin lugar a dudas muy sugerente.
El arte de titular es clave para el éxito de una noticia o de una entrada en un blog. Y mi amigo Humberto es un maestro en el arte de titular un artículo técnico. La observación experimental de este fenómeno será un gran acicate para la investigación en luz líquida en gases de átomos.
PS: Más información sobre luz líquida. Humberto Michinel Alvarez, “Condensados de luz líquida,” Área de Óptica, Univ. Vigo; Humberto Michinel Álvarez, “Átomos transparentes que vuelven líquida la luz,” Boletín das Ciencias 47, 2006; Humberto Michinel Álvarez et al., “Del gas de fotones al líquido de luz,” Revista RSEF, 2005.
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