En el corazón de un gigantesco laboratorio de plasma en Los Ángeles, un grupo de científicos ha conseguido lo que hasta hace poco era solo una predicción teórica: hacer que el patrón de una onda electromagnética dentro de un plasma controlado. Aunque pueda parecer una escena extraída de una película de ciencia ficción, el fenómeno es real, medido con precisión y descrito con detalle en una de las revistas científicas más rigurosas.
Este logro se ha producido en el Large Plasma Device (LAPD) de la Universidad de California en Los Ángeles, gracias a un experimento que combina teoría electromagnética, física de plasmas y tecnología experimental de vanguardia. Los autores del estudio, encabezados por Renaud Gueroult, describen en su artículo publicado en Physical Review Letterscómo observaron, por primera vez, la rotación de la estructura transversal de una onda electromagnética inducida por el movimiento del medio en el que se propaga: un plasma magnetizado.
Qué es lo que ha rotado exactamente
Cuando se habla de “rotar la luz”, no se trata de hacer girar un haz como si fuera una linterna moviéndose en círculos. En este experimento, la rotación afecta a la forma del patrón de la onda que viaja a través del plasma. En concreto, se utilizó un tipo de onda conocida como onda de Alfvén, que es una onda magnetohidrodinámica que se propaga a lo largo de campos magnéticos en plasmas. Estas ondas no son simples oscilaciones: pueden portar lo que se conoce como momento angular orbital, lo que les permite tener una estructura transversal compleja, similar a una espiral o vórtice.
Lo que los investigadores lograron fue demostrar que si el plasma gira, la estructura de esa onda se “arrastra” con él, provocando una rotación visible del patrón de la onda. En palabras del artículo original: “reportamos la primera observación de rotación de imagen, es decir, un arrastre por el medio de la estructura transversal de la onda, de ondas de Alfvén en plasmas”.
Este efecto no es puramente visual ni una simple curiosidad. Implica una transferencia de momento angular entre la onda y el plasma, lo que tiene consecuencias profundas para la comprensión de cómo interactúan las ondas electromagnéticas con medios en movimiento.
Un fenómeno esquivo que por fin pudo medirse
La teoría que predice el arrastre de la luz por un medio en movimiento data del siglo XIX, con nombres como Fresnel y Fizeau. Sin embargo, las condiciones necesarias para observar estos efectos en laboratorio son extremadamente difíciles de alcanzar, ya que la luz viaja tan rápido que los movimientos de los medios materiales suelen tener efectos insignificantes.
Para superar este obstáculo, el equipo recurrió a un tipo de onda mucho más lenta que la luz: las ondas de Alfvén. En el plasma del LAPD, estas ondas viajan a velocidades del orden de cientos de kilómetros por segundo, una velocidad que aunque alta, es lo bastante baja como para que el movimiento del plasma pueda arrastrarlas de forma detectable.
El plasma se hace girar mediante un sistema de electrodos colocados en uno de los extremos del dispositivo. Aplicando diferentes voltajes a estos electrodos, los científicos generaron rotaciones en sentido horario o antihorario, lo que permitió comprobar que la rotación del patrón de la onda seguía el sentido del giro del plasma. En palabras del artículo: “se demuestra el control sobre la rotación de la estructura de la onda a través de la rotación del plasma impuesta por electrodos polarizados”.
Cómo se diseñó el experimento
El montaje experimental fue especialmente diseñado para permitir una observación precisa del fenómeno. Una antena colocada en uno de los extremos del plasma generaba las ondas electromagnéticas, mientras que en el otro extremo se encontraban los electrodos que inducían la rotación del medio. Sensores distribuidos a lo largo del tubo de plasma medían el comportamiento de las ondas conforme se desplazaban.
Uno de los elementos clave del diseño fue la capacidad de medir con precisión la estructura de corriente axial y el campo magnético transversal de las ondas. Esta información fue representada en mapas bidimensionales que mostraban cómo la imagen de la onda se deformaba y rotaba a medida que el plasma giraba. Como confirmaron los autores, “la estructura transversal arrastrada modelada coincide efectivamente con los datos medidos”.
Además, el equipo comparó las observaciones con modelos teóricos previos sobre arrastre de ondas en medios isotrópicos. Sorprendentemente, los resultados experimentales coincidieron con predicciones desarrolladas para medios mucho más simples, lo que sugiere que las teorías existentes sobre el arrastre de luz podrían aplicarse también a medios complejos como los plasmas magnetizados.
Una herramienta para estudiar el universo (y mejorar la energía de fusión)
El impacto potencial de este hallazgo no se limita al laboratorio. Las ondas de Alfvén y otros tipos de ondas electromagnéticas estructuradas están presentes en muchos entornos astrofísicos, desde el viento solar hasta los discos de acreción de los agujeros negros. La posibilidad de detectar rotación a través del análisis de la imagen rotada de una onda ofrece una nueva herramienta para estudiar objetos lejanos.
Según los autores, “la rotación de imagen podría utilizarse como base para nuevas herramientas de detección remota de rotación”. Esto podría ser especialmente útil en situaciones donde otras formas de medición directa no son posibles, como en plasmas calientes del interior de reactores de fusión o en regiones remotas del espacio.
También puede tener implicaciones en el desarrollo de tecnologías que requieren controlar la rotación del plasma, como ciertos conceptos de confinamiento magnético para la fusión nuclear. En estos contextos, la capacidad de medir de forma no invasiva la rotación interna del plasma podría marcar la diferencia entre un reactor estable o inestable.
Qué se abre a partir de ahora
Este experimento ha abierto nuevas puertas en un campo que parecía haber alcanzado sus límites en lo experimental. La rotación de imagen, que hasta ahora solo se había observado en medios artificiales o altamente idealizados, se ha demostrado como un fenómeno natural y medible en plasmas reales.
Los investigadores apuntan que este es solo el comienzo. En sus propias palabras, “quedan muchos aspectos de estos efectos que queremos explorar para comprender mejor dónde pueden tener relevancia”. Entre los objetivos próximos se encuentra el estudio del efecto en diferentes tipos de ondas, su posible uso en técnicas de diagnóstico y su comportamiento en plasmas más calientes o con geometrías distintas.
Además, el hecho de que el fenómeno esté vinculado al momento angular abre la puerta a exploraciones aún más sofisticadas, como el acoplamiento entre diferentes tipos de momento angular (como el orbital y el de espín) y su influencia en medios rotatorios.
Referencias
- Renaud Gueroult, Shreekrishna K. Tripathi, Jia Han, Patrick Pribyl, Jean-Marcel Rax, Nathaniel J. Fisch. Image Rotation in Plasmas. Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/swrn-w3yf.
Cortesía de Muy Interesante
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