Una reciente investigación liderada por los doctores Miguel Orszag y Bing He, investigadores de la Universidad Mayor, ha introducido una nueva perspectiva sobre una propiedad crucial de los sistemas optomecánicos.
Estos sistemas pueden ser tan simples como dos espejos, uno de los cuales se mueve debido a la presión de la luz atrapada entre ellos, mientras que un resorte lo empuja de vuelta a su posición de equilibrio. Si la luz en el espacio entre los espejos (denominado cavidad) es lo suficientemente intensa, el espejo móvil comienza a oscilar, lo que a su vez modifica el espectro de la luz dentro de la cavidad. Para lograr la presión necesaria sobre el espejo, un láser de bombeo se introduce para crear una gran cantidad de fotones en la cavidad. Anteriormente, se asumía que un láser más potente siempre generaba una mayor oscilación en el espejo. Sin embargo, esta nueva investigación demuestra que la realidad es más compleja: la energía de oscilación estabilizada del espejo puede tener una relación no lineal con la potencia del láser, tal como se muestra en la figura (donde el eje horizontal es proporcional a la raíz cuadrada de la potencia del láser y el eje vertical indica la energía del espejo).
Una de las características más sorprendentes de esta figura es que la energía del espejo adopta valores cuantizados alrededor de niveles como n=0,1,2, entre otros. ¿Por qué un sistema clásico muestra un comportamiento propio de la mecánica cuántica? Los investigadores descubrieron que la frecuencia de oscilación del espejo se modifica bajo la presión de la luz, y esta frecuencia ajustada se sincroniza de forma natural con el espectro de luz modificado dentro de la cavidad. Como resultado, el espejo siempre oscila en órbitas definidas y nunca se estabiliza en posiciones intermedias entre esos niveles. Un fenómeno similar es el acoplamiento de marea o rotación sincrónica: la luna, deformada por la gravedad terrestre, ajusta gradualmente su velocidad de giro hasta coincidir con su velocidad orbital, lo que explica por qué siempre muestra la misma cara hacia la Tierra.
Este proyecto comenzó como parte de una investigación de maestría en la Universidad de Huaqiao, China. A un estudiante se le encomendó calcular un tipo de oscilación en un sistema de tres cavidades acopladas y accionadas por un solo láser. Sorprendentemente, sus cálculos mostraron que la respuesta del sistema podía retrasarse de manera abrupta durante largos períodos cuando la potencia del láser se modificaba ligeramente. Para desentrañar este enigma, los investigadores simplificaron el sistema a una sola cavidad y, aun así, observaron el mismo comportamiento de retraso. Esto los llevó a sospechar que algo fundamental estaba en juego, lo que finalmente los condujo al descubrimiento de los extraños comportamientos del espejo móvil. Hoy en día, se entiende que este retraso abrupto en la respuesta se debe a un fenómeno conocido como desaceleración crítica: el sistema tarda un tiempo extremadamente largo en estabilizarse cuando la potencia del láser cambia sus patrones dinámicos en ciertos puntos específicos.
Un evaluador del trabajo, impresionado por el proceso de descubrimiento, sugirió incluir la historia detrás de la investigación en el material complementario del artículo y comentó: "Valoro este tipo de investigaciones, donde se descubre algo inusual (que normalmente solo veo en experimentos) y se profundiza hasta entenderlo. Debería haber más trabajos así en física".
"Es asombroso que un sistema aparentemente tan sencillo muestre propiedades inusuales de auto organización", afirmó el Dr. Bing He, autor principal del estudio. "La investigación en curso podría revelar mecanismos aún más sorprendentes, lo que no solo mejoraría nuestra comprensión de los sistemas no lineales, sino que también abriría la puerta a importantes aplicaciones en dispositivos fotónicos".
Los hallazgos sobre el comportamiento anómalo de los espejos accionados por luz fueron publicados en el artículo titulado "Highly correlated optomechanical oscillations manifested by anomalous stabilization", en la revista Physical Review Letters el 4 de septiembre. Este proyecto fue desarrollado en colaboración con investigadores de la Universidad de Huaqiao (la Srta. Jinlian Zhang y el Dr. Qing Lin) y la Universidad de Nanjing (el Dr. Min Xiao y el Dr. Xiaoshun Jiang).
