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Un equipo de científicos liderado por investigadores de la Universidad de East Anglia (UEA) en el Reino Unido, en colaboración con colegas de Sudáfrica, ha descubierto una habilidad sorprendente de la luz. Este descubrimiento indica que la luz posee una estructura geométrica oculta que puede influir en su comportamiento de maneras que antes se consideraban difíciles de lograr. Los experimentos realizados por el equipo demuestran que la luz, cuando se prepara adecuadamente, puede ser controlada a través de su propia geometría interna, ofreciendo un nuevo enfoque para manipular cómo gira y se retuerce.
Los hallazgos desafían suposiciones de larga data sobre cómo interactúan las diferentes propiedades de la luz. En el futuro, estos descubrimientos podrían dar lugar a pruebas médicas más sensibles, comunicaciones más rápidas y seguras, así como a tecnologías cuánticas avanzadas que utilizan la luz para transmitir y proteger información. Uno de los aspectos más intrigantes del descubrimiento está relacionado con la quiralidad, un término científico que describe la diferencia entre estructuras zurdas y diestras. Un ejemplo familiar son las manos humanas: aunque son imágenes especulares entre sí, una mano izquierda no puede superponerse perfectamente a una mano derecha. Muchas moléculas presentan una propiedad similar, incluidas aquellas utilizadas en medicamentos. Dos versiones de la misma molécula pueden tener estructuras químicas casi idénticas, pero producir efectos muy diferentes en el organismo.
Los científicos pueden distinguir estas formas moleculares estudiando cómo interactúan con la luz que presenta un comportamiento rotacional particular. Tradicionalmente, la producción y el control de dicha luz han requerido materiales especializados, superficies diseñadas cuidadosamente o lentes potentes que enfocan los haces de manera extremadamente precisa. Sin embargo, la investigación demuestra que la luz adecuadamente preparada puede desarrollar este comportamiento de forma natural mientras viaja, sin necesidad de componentes ópticos adicionales. "Nuestro trabajo muestra que la luz puede desarrollar este comportamiento de manera natural por sí sola", afirmó el Dr. Kayn Forbes de la Escuela de Química, Farmacia y Farmacología de la UEA. "Solo tienes que prepararla de la manera correcta".
La mayoría de las personas piensan en la luz como algo que viaja en líneas rectas. Sin embargo, los científicos también pueden crear luz estructurada, es decir, luz cuya intensidad, forma y dirección están cuidadosamente organizadas. Un ejemplo extremo de esto es la luz que se retuerce mientras viaja, formando una estructura en espiral conocida como vórtice óptico. Cada giro puede transportar información, lo que hace que este tipo de luz sea valiosa para internet de alta velocidad, comunicaciones seguras y sensores avanzados.
La luz también puede girar mientras se desplaza, dependiendo de cómo esté polarizada. Este giro puede ser de izquierda o de derecha, lo que representa otra forma de quiralidad. Los científicos han descubierto cómo la luz desarrolla un giro oculto. La luz puede exhibir diferentes tipos de comportamiento rotacional. Por ejemplo, un vórtice óptico tiene un patrón de onda que se retuerce alrededor de su dirección de viaje, similar a un sacacorchos. La luz también posee una propiedad conocida como polarización, que describe cómo oscila su campo eléctrico. Ciertos patrones de polarización producen una forma de rotación llamada giro.
Los físicos han estudiado durante mucho tiempo la relación entre estas dos propiedades. Sin embargo, las interacciones responsables del efecto recientemente observado se consideraban generalmente extremadamente débiles y difíciles de detectar sin condiciones experimentales especializadas. Los investigadores encontraron que la situación cambia cuando un haz de luz se prepara en una configuración equilibrada particular. En esas condiciones, el haz puede inicialmente no tener giro, pero a medida que viaja a través del espacio libre, emergen regiones distintas con comportamiento giratorio. Este efecto no requiere que la luz pase a través de materiales diseñados o dispositivos ópticos adicionales.
"Comienza sin giro alguno", explicó Light Mkhumbuza, estudiante de maestría que llevó a cabo experimentos clave. "Pero a medida que el haz avanza, aparecen y se separan regiones giratorias, casi como si el giro estuviera escondido y luego se revelara". En lugar de crear giro a través de un componente óptico externo, los investigadores demostraron cómo la estructura interna existente del haz puede determinar dónde se desarrollan las regiones giratorias durante la propagación.
Para explicar este comportamiento inesperado, los investigadores recurrieron a la topología, un campo matemático que se ocupa de las propiedades que permanecen inalteradas cuando los objetos son estirados, doblados o remodelados de manera continua.
El Dr. Isaac Nape, de la Universidad de Witwatersrand en Johannesburgo, Sudáfrica, ofreció una forma sencilla de entender el concepto. "Para explicarlo, imagina una taza y un donut", dijo. "Puedes transformar uno en el otro sin romperlo, porque ambos tienen un agujero. Ese agujero es una característica topológica".
Los investigadores encontraron que la luz estructurada posee sus propias características topológicas, codificadas en la disposición de su polarización. Este patrón subyacente actúa como una huella matemática. A medida que el haz de luz cambia de forma mientras viaja, su estructura topológica se mantiene, influyendo en cómo evolucionan las diferentes regiones del haz. Como resultado, la disposición de la luz misma puede determinar dónde se hacen visibles sus patrones de giro a la izquierda y a la derecha.
Este descubrimiento brinda a los científicos una forma de guiar este comportamiento al diseñar la estructura inicial del haz, en lugar de depender de materiales especializados para producir el efecto deseado. "Esto nos da un nuevo control total sobre la luz. Al ajustar su topología, podemos decidir cómo y dónde aparece la quiralidad", afirmó el Dr. Nape.
La capacidad de controlar la luz a través de su geometría podría, en última instancia, simplificar, abaratar y hacer más versátiles varias tecnologías ópticas importantes. Una aplicación particularmente prometedora involucra diagnósticos médicos e investigación farmacéutica. Dado que muchas moléculas biológicamente importantes tienen formas zurdas y diestras, la luz estructurada con precisión podría ayudar a los científicos a identificar estas diferencias con mayor sensibilidad. Tales herramientas podrían ser valiosas para evaluar la seguridad de los medicamentos y detectar marcadores biológicos asociados con enfermedades.
Los mismos principios podrían respaldar sensores ópticos más pequeños capaces de identificar sustancias químicas o biológicas sin requerir grandes y sofisticados instrumentos de laboratorio. La tecnología de comunicaciones también podría beneficiarse. Al codificar información en diferentes patrones de torsión y giro, los investigadores podrían aumentar la cantidad de datos que transportan los haces de luz individuales. Esto podría contribuir a comunicaciones ópticas más rápidas, mejorar la seguridad de la información y facilitar futuras redes cuánticas.
Otras aplicaciones potenciales incluyen la manipulación de partículas microscópicas, células y moléculas mediante luz, así como el desarrollo de sistemas cuánticos más resilientes. Las propiedades topológicas podrían ayudar a proteger la información cuántica delicada contra ciertas formas de ruido e interferencia.
"Las implicaciones son amplias", afirmó el Dr. Forbes. "Este trabajo podría conducir a pruebas médicas más simples y sensibles, especialmente en el desarrollo de fármacos. También podría utilizarse para empaquetar más información en los haces de láser, aumentando la capacidad de datos para las comunicaciones, incluidas las futuras redes cuánticas. Y dado que el efecto no depende de materiales frágiles o superficies de precisión, podría ser más fácil y económico de utilizar en tecnologías del mundo real. Esta investigación podría sentar las bases para una nueva generación de tecnologías basadas en la luz, al demostrar que el comportamiento de la luz puede ser controlado utilizando su propia geometría interna", añadió.
Estas aplicaciones siguen siendo posibilidades para desarrollos futuros, pero el descubrimiento subyacente proporciona a los investigadores otra forma de diseñar y controlar el comportamiento de la luz.
Una propiedad oculta de la luz finalmente revelada. Durante décadas, los científicos han confiado en equipos ópticos cada vez más sofisticados para producir y manipular formas inusuales de luz. Los hallazgos sugieren que algunos de estos comportamientos pueden surgir en su lugar de estructuras cuidadosamente diseñadas que ya están codificadas dentro de un haz de luz.
Al mostrar cómo la topología gobierna la aparición de regiones giratorias durante la propagación, el equipo ha revelado una conexión previamente subestimada entre la geometría de la luz y su comportamiento físico. El descubrimiento también ilustra cuánto queda por aprender sobre algo tan familiar y ampliamente estudiado como la luz.
"Para algo tan familiar, la luz está demostrando ser mucho más rica, extraña y poderosa de lo que cualquiera imaginó", dijo el Dr. Forbes. "Y, asombrosamente, este nuevo comportamiento ha estado ahí todo el tiempo, solo esperando ser visto".
La investigación, titulada "Control topológico de la quiralidad y el giro con luz estructurada", fue publicada en la revista Light: Science & Applications.
Investigadores de la Universidad de East Anglia han realizado un descubrimiento notable sobre la luz, revelando propiedades que desafían las expectativas tradicionales. Este avance se centra en el control topológico de la quiralidad y el spin utilizando luz estructurada. El estudio, que se publicará en la revista *Light: Science*, es un paso significativo en el campo de la óptica y la física de materiales, y podría tener aplicaciones en diversas áreas, incluyendo la computación cuántica y la spintrónica.
Los autores del estudio, Mkhumbuza, Ornelas, Dudley, Nape y Forbes, han explorado cómo la manipulación de la luz puede influir en las propiedades de los materiales a nivel microscópico. Este enfoque innovador permite un mayor control sobre la interacción entre la luz y la materia, lo que podría abrir nuevas posibilidades en el diseño de dispositivos ópticos avanzados. El artículo completo se encuentra disponible en la revista *Light: Science*, bajo el DOI 10.1038/s41377-026-02278-6.
Fuente original: ScienceDaily.
