La propagación de una onda luminosa se modifica por el movimiento del medio en el que se propaga. El fenómeno es conocido desde el siglo XIX, pero es difícil de observar debido a la diferencia de escala entre la velocidad de la luz y la del medio en movimiento. Por eso, hasta ahora, solo había podido demostrarse en condiciones muy específicas donde la velocidad de la luz se ralentiza artificialmente.
Ilustración del fenómeno de rotación de la imagen observado experimentalmente para una onda de Alfvén. La estructura transversal de la onda (lóbulos azul y rojo) producida por la antena puede girarse en ambos sentidos controlando la rotación de la columna de plasma (nube de puntos).
© Renaud Gueroult et al.
Unos investigadores del Laboratorio de plasma y conversión de energía (Laplace, CNRS/Toulouse INP/Universidad de Toulouse), en colaboración con la Universidad de California en Los Ángeles (UCLA), el Laboratorio de física de los 2 infinitos - Irène Joliot-Curie (IJCLab, CNRS/Universidad de Paris-Saclay) y la Universidad de Princeton, han observado por primera vez experimentalmente el arrastre de una onda por un medio natural en rotación, produciendo una rotación de imagen en un plasma.
El fenómeno está relacionado con la formación, en los plasmas, de variaciones del campo magnético que adoptan la forma de ondas lentas. Estas ondas, cuya existencia había sido predicha por el astrofísico Hannes Alfvén a mediados del siglo XX, han sido posteriormente observadas en laboratorio y en el espacio.
Un plasma constituye por tanto un medio propicio para la observación del fenómeno de arrastre de una onda, siempre que se pueda ponerlo en movimiento. Esto es lo que han conseguido los investigadores, quienes utilizaron el Large Plasma Device (LAPD) de la Universidad de California en Los Ángeles para poner un plasma en rotación, y observar en él la rotación correspondiente de las ondas de Alfvén. El LAPD produce una columna de plasma de 20 metros de largo y 75 centímetros de diámetro. El dispositivo implementado para este estudio se centró en una sección de cinco metros del equipo. En los extremos, por un lado, una antena que crea perturbaciones magnéticas generando ondas de Alfvén, por otro, un juego de electrodos que pone el plasma en movimiento de manera controlada. Los parámetros del plasma y de la onda se miden en varios puntos de la sección de la columna.
El fenómeno observado es una rotación de la estructura transversal de la onda (su perfil de amplitud en el plano perpendicular a la dirección de propagación), bajo el efecto de la rotación del plasma que atraviesa. El equivalente, si se utilizaran ondas en el dominio visible, de la rotación de una imagen (ver ilustración).
Estos estudios podrían abrir el camino a nuevos instrumentos para sondear la materia a distancia, ya sea en astrofísica o para el estudio de la fusión nuclear. También permiten, a nivel fundamental, comprender mejor el acoplamiento de momento angular entre una onda y un medio en rotación. Están previstas nuevas experimentaciones en el LAPD, para estudiar otros efectos del movimiento del plasma sobre la propagación de las ondas de Alfvén.