Un equipo de investigadores del Max Born Institute en Berlín y la Universidad de Tulane en Nueva Orleans ha realizado un avance significativo en el estudio de la propagación de la luz en medios líquidos comunes, como el agua y los alcoholes. A través de pulsos láser de femtosegundos, han logrado convertir temporalmente estos líquidos ordinarios en materiales con propiedades excepcionales, conocidos como materiales epsilon-cercanos-a-cero (ENZ), a frecuencias de terahercios (THz).
Tradicionalmente, la fase y la velocidad de grupo de la luz que se propaga en medios ópticos convencionales no pueden superar la velocidad de la luz en el vacío. Sin embargo, en los materiales ENZ, se observa una velocidad de fase infinita y una velocidad de grupo que tiende a cero para ciertas frecuencias. Este fenómeno, hasta ahora observado únicamente en unos pocos sólidos y materiales nanoingeniería, abre nuevas posibilidades en el campo de la óptica.
El proceso de ionización y la formación de polarones
El estudio detalla cómo la ionización de un líquido molecular polar mediante pulsos láser genera electrones libres que se localizan en un tiempo de femtosegundos. Esta localización ocurre en el contexto de una red desordenada de dipolos eléctricos, donde la energía de unión del electrón es determinada principalmente por las fuerzas eléctricas entre el electrón y los dipolos moleculares del líquido.
Durante este proceso ultrarrápido, la interacción eléctrica da lugar a oscilaciones colectivas tanto del electrón como de miles de moléculas del líquido circundante. Esta excitación de muchos cuerpos, conocida como polaron, presenta una frecuencia distintiva en el rango de los terahercios, que depende de la concentración de electrones en el líquido. A la frecuencia del polaron, la función dielectrica y/o el índice de refracción del líquido cruzan la línea cero, lo que implica que la velocidad de fase de la luz se aproxima a la infinitud y la velocidad de grupo de los pulsos de luz tiende a cero, un comportamiento característico de los materiales ENZ.
Los resultados experimentales, publicados en la revista Physical Review Letters, demuestran que los líquidos polares con electrones solvados representan una nueva clase de materiales ENZ con propiedades de propagación de luz ajustables. El equipo ha seguido la propagación de pulsos cortos de THz en este medio, revelando tanto la fase como las velocidades de grupo de los pulsos de THz propagados.
Las imágenes obtenidas muestran claramente la diferencia en la propagación de los pulsos de THz transmitidos por el líquido excitado en comparación con los pulsos propagados a través del vacío y del líquido ordinario no excitado. Este comportamiento, que se alinea con cálculos teóricos previos, confirma la validez de las propiedades ENZ observadas en este nuevo contexto.
La capacidad de modificar la frecuencia del polaron simplemente alterando la concentración de electrones es una característica atractiva que permite ajustar de manera controlada las propiedades ENZ del material en un rango de frecuencias que va aproximadamente de 0.1 a 10 THz. Estos hallazgos podrían dar lugar a nuevas técnicas para el control de la propagación de la luz en líquidos, lo que posiblemente impulse avances en el ámbito de la detección óptica y las comunicaciones.
