No importa si se trata de ondas acústicas, ondas de materia cuántica u ondas ópticas de un láser; todo tipo de ondas puede estar en diferentes estados de oscilación, correspondientes a diferentes frecuencias. Calcular estas frecuencias es parte de las herramientas del oficio defísica teórica. Recientemente, sin embargo, una clase especial de sistemas ha llamado la atención de la comunidad científica, forzando a los físicos a abandonar reglas bien establecidas.
Cuando las ondas son capaces de absorber o liberar energía, se producen los llamados "puntos excepcionales", alrededor de los cuales las ondas muestran un comportamiento bastante peculiar: los láseres se encienden, a pesar de que se les quita energía, la luz se emite solo en unodirección particular, y olas que están fuertemente mezcladas emergen del embrollo en un estado ordenado y bien definido.En lugar de acercarse a un punto tan excepcional, un equipo de investigadores de TU Wien Viena, Austria junto con colegas en Brasil, Francia, e Israel ahora logró dirigir un sistema en torno a este punto, con resultados notables que ahora se han publicado en la revista Naturaleza .
Ondas con frecuencias complejas
"Por lo general, las frecuencias características de las ondas en un sistema en particular dependen de varios parámetros diferentes", dice el profesor Stefan Rotter Instituto de Física Teórica, TU Wien. Las frecuencias de las microondas en un recipiente de metal están determinadas por el tamaño y porla forma del contenedor. Estos parámetros se pueden cambiar para que las frecuencias de las ondas también cambien.
"La situación se vuelve mucho más complicada si el sistema puede absorber o liberar energía", dice Rotter. "En este caso, nuestras ecuaciones producen frecuencias complejas, de la misma manera que en matemáticas, cuando los valores complejos emergen del cuadradoraíz de un número negativo ". A primera vista, esto puede parecer un mero tecnicismo, pero en los últimos años nuevos hallazgos experimentales han demostrado que estas" frecuencias complejas "tienen aplicaciones físicas importantes.
microondas en una caja de metal
Las características extrañas de estas frecuencias complejas se hacen más evidentes cuando el sistema se acerca a un "punto excepcional". "Ocurren puntos excepcionales, cuando la forma y la absorción de un sistema pueden ajustarse de tal manera que dos ondas diferentes puedan encontrarse enuna frecuencia compleja específica ", explica Rotter." En este punto excepcional, las ondas no solo comparten la misma frecuencia y tasa de absorción, sino que también su estructura espacial es la misma. Por lo tanto, uno puede realmente interpretar esto como dos estados de onda que se fusionan en uno soloen el punto excepcional "
Cada vez que aparecen puntos excepcionales en un sistema, se pueden observar efectos curiosos: "Enviamos dos modos de onda diferentes a través de una guía de onda que está diseñada no solo para acercarse al punto excepcional, sino para dirigir las olas a su alrededor".dice Jörg Doppler, el primer autor del estudio. No importa cuál de los dos modos posibles esté acoplado al sistema, en la salida, siempre emerge el mismo modo. Cuando las ondas se acoplan a la guía de ondas desde la dirección opuesta, else prefiere otro modo: "Es como conducir un automóvil en un túnel helado de dos carriles, en el que uno se desliza violentamente, pero del cual siempre sale por el lado correcto de la carretera", dice Doppler.
Para probar los modelos teóricos, Stefan Rotter y su grupo se asociaron con investigadores en Francia que trabajan en estructuras de microondas, es decir, cajas de metal huecas a través de las cuales se envían ondas electromagnéticas para estudiar su comportamiento. Para producir el extraño comportamiento de onda cerca de unpunto excepcional, las guías de onda deben seguir reglas de diseño muy especiales, que fueron diseñadas en TU Wien con el apoyo de Alexei Mailybaev de IMPA Brasil. Los experimentos se llevaron a cabo en el grupo de Ulrich Kuhl en la Universidad de Niza, donde el comportamiento previstoahora podría de hecho ser observado.
Nuevas fronteras en física de olas
Los sistemas con puntos excepcionales abren una clase completamente nueva de posibilidades para controlar las ondas. "Al igual que los números complejos nos han traído nuevas posibilidades en matemáticas, los puntos excepcionales complejos nos dan nuevas ideas para la física de las ondas", dice Rotter.Varios grupos de investigación de todo el mundo están trabajando actualmente en puntos excepcionales: en el mismo número de la revista Nature, en la que se publican los resultados anteriores, un equipo de la Universidad de Yale EE. UU. también presenta resultados sobre puntos excepcionales en opto-mecánica ".Estoy seguro de que pronto escucharemos mucho más sobre puntos excepcionales en muchas áreas diferentes de la física ", dice Stefan Rotter.
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Materiales proporcionados por Universidad Tecnológica de Viena . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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