Un rayo de luz nadó contra la corriente y desafió una ley clásica de Newton

Físicos hicieron que un haz estrecho de luz se moviera contra la corriente de un campo luminoso más amplio que imitaba un fluido cuántico. En el experimento la dirección del movimiento cambió debido a una interacción no recíproca entre los dos haces, en la que la habitual simetría de acción y reacción dejó de cumplirse.

A primera vista el resultado parece una violación de la tercera ley de Newton: si un objeto ejerce sobre otro una fuerza determinada, el segundo debería responder con una fuerza igual en magnitud y opuesta en dirección. Sin embargo, los investigadores no anularon las leyes fundamentales de la mecánica. La violación se refiere a la interacción efectiva entre dos componentes ópticos dentro de un sistema no equilibrado controlado, donde el intercambio de acciones entre ellos fue deliberadamente asimétrico.

Para comprobar la física pasaron por un cristal no lineal dos haces láser sincronizados. El haz ancho actuó como el fluido en movimiento, y el más estrecho desempeñó el papel de un nadador hipotético. Al inclinar el haz ancho, los investigadores cambiaron la dirección y la velocidad del flujo transversal.

En una interacción habitual, el haz estrecho se desplazaba junto con el flujo, como un objeto arrastrado por el agua. Tras pasar al régimen no recíproco la situación se invirtió: el haz estrecho comenzó a moverse contra la corriente. La causa fue la asimetría que el propio haz generaba a su alrededor. La intensidad del fluido luminoso a ambos lados se volvía diferente, por lo que la fuerza resultante empujaba al haz contra la corriente.

La no reciprocidad aquí significa que los dos componentes se influyen de manera diferente. En un sistema habitual la acción de un participante va acompañada de la correspondiente reacción del segundo. En el sistema óptico experimental no existía tal igualdad entre los dos haces, por lo que la interacción interna produjo un movimiento dirigido.

La intensidad del efecto dependía no solo del mecanismo mismo. Los investigadores variaron la velocidad del flujo y la densidad del fluido luminoso y encontraron que el haz se movía mejor contra la corriente para valores intermedios de ambos parámetros. Un simple aumento de la densidad o de la velocidad no intensificaba el movimiento indefinidamente.

Ya se había logrado que la luz se moviera contra la corriente en sistemas similares, pero antes actuaba otro mecanismo. En el experimento anterior el objeto generaba detrás de sí pares de vórtices que transportaban el impulso corriente abajo y así daban un empujón inverso. Ese movimiento encajaba completamente en el principio de acción y reacción. El nuevo trabajo muestra que se puede conseguir la misma dirección sin ese mecanismo, usando la interacción no recíproca.

Los autores subrayan por separado que el experimento no se realizó con helio líquido ni con gases de átomos ultrafríos. La instalación es un análogo óptico de un fluido cuántico, en el que la propagación e interacción de la luz reproducen parte del comportamiento de los medios cuánticos reales. Por eso el resultado no se puede extrapolar automáticamente a cualquier fluido cuántico.

Los investigadores consideran el montaje ante todo como un método para estudiar el comportamiento activo de sistemas cuánticos, donde el movimiento dirigido surge gracias a las características de la interacción entre componentes. El siguiente paso podría ser verificar un efecto similar en gases atómicos y materiales cuánticos sintéticos, y en una perspectiva más lejana las interacciones no recíprocas podrían ayudar a controlar la dirección de la luz en dispositivos cuánticos.