Científicos de la Universidad de Harvard y el MIT (Massachusets Institute of Technology) desafían el conocimiento convencional sobre la luz, y no necesitaron viajar a una galaxia muy, pero muy lejana para conseguirlo.
Traducido por David Órdenes
Fotones con fuerte atracción mutua en un medio cuántico no lineal. Crédito: Nature
Un grupo encabezado por los profesores en física de Harvard, Mikhail Lukin y del MIT, Vladan Vuletic, en conjunto con colegas del Centro Harvard-MIT para átomos ultra-fríos (Harvard-MIT Center for Ultracold Atoms), ha conseguido que fotones (partículas fundamentales que forman lo que conocemos como “luz”) se unan para formar moléculas, una forma de materia que, hasta hace poco, era puramente teórica. El trabajo se describe en una publicación de la revista Nature del día 25 de septiembre.
El descubrimiento, según Lukin, va contra décadas de conocimientos sobre la naturaleza de la luz. Los fotones han sido descritos por mucho tiempo como partículas sin masa que no interactúan entre sí. “Enfrenta dos haces de luz láser entre sí, y simplemente pasarán uno a través del otro”, explica.
Las “moléculas fotónicas”, sin embargo, se comportan menos como láseres tradicionales y más como algo que podrías encontrar en ciencia ficción, un sable láser. Lukin continúa: “La mayor parte de las propiedades que conocemos de la luz se originan del hecho que los fotones no tienen masa, y que no interactúan entre sí. Lo que hemos hecho es crear un tipo de medio especial en el que los fotones interactúan entre sí tan fuertemente que comienzan a comportarse como si tuvieran masa, y se unen para formar moléculas.”
Este tipo de estado enlazado fotónico ha sido discutido teóricamente por ya un buen tiempo, pero no había sido observado hasta ahora. “No es una analogía inapropiada comparar esto a los sables láser”, añade Lukin. “Cuando estos fotones interactúan entre sí, se empujan y desvían mutuamente. La física de lo que sucede en estas moléculas es similar a lo que vemos en las películas.” Lukin y sus colegas, junto al estudiante asociado de post-doctorado de Harvard Alexey Gorshkov y los estudiantes de postgrado del MIT Thibault Peyronel y Qiu Liang no podrían confiar en algo así como “la Fuerza” de la Guerra de las Galaxias para conseguir que los fotones, normalmente sin masa, se unan; así que utilizaron un conjunto de condiciones extremas.
Los investigadores comenzaron agregando átomos de rubidio en una cámara al vacío, y usaron láseres para enfriar la nube de átomos hasta apenas unos pocos grados de temperatura sobre el cero absoluto. Usando pulsos de luz láser extremadamente débiles, dispararon fotones individuales a la nube de átomos.
Cuando cada fotón entra a la nube de átomos fríos, su energía excita los átomos a su paso, haciendo que el fotón reduzca su rapidez dramáticamente. A medida que el fotón se mueve a través de la nube, esa energía pasa de un átomo a otro, y finalmente sale de la nube junto al fotón. “Cuando el fotón abandona el medio, su identidad se preserva”, explica Lukin. “Es el mismo efecto que vemos con la refracción de la luz en un vaso de agua. La luz entra al agua, entrega parte de su energía al medio, y existe dentro de ella como luz y materia acopladas, pero cuando sale, sigue siendo luz. El proceso que ocurre [en el experimento] es el mismo, pero un poco más extremo: la luz es ralentizada considerablemente, y mucha más energía es entregada al medio que en la refracción.”
Cuando Lukin y sus colegas dispararon dos fotones a la nube, les sorprendió verlos salir juntos, como una molécula única. ¿La razón por la que se forman estas moléculas nunca antes vistas? Un efecto llamado “bloqueo de Rydberg”, explica Lukin, que dice que cuando un átomo es excitado, los átomos cercanos no pueden ser excitados al mismo nivel. En la práctica, esto significa cuando dos fotones entran a la nube, el primero excita un átomo, pero debe moverse adelante antes que el segundo fotón pueda excitar átomos cercanos. El resultado, explica, es que los dos fotones empujan y tiran el uno al otro a través de la nube cuando sus respectivas energías son pasadas de un átomo al siguiente. “Es una interacción fotónica que es mediada por la interacción atómica. Esto hace que los dos fotones se comporten como una molécula, y cuando salen del medio lo hacen mucho más probablemente juntos que como fotones individuales.”
A pesar de que el efecto es inusual, también tiene aplicaciones prácticas. “Hacemos esto por diversión, y porque estamos empujando las fronteras de la ciencia”, dice Lukin. “Pero es un avance en el contexto de nuestra área de estudio porque los fotones siguen siendo el mejor medio de transporte para la información cuántica. La dificultad, sin embargo, era que los fotones no interaccionaban entre sí”. Para construir un computador cuántico, explica, los investigadores necesitan construir un sistema que preserve la información cuántica, para luego procesarla usando operaciones de lógica cuántica.
Pero el desafío es que la lógica cuántica requiere interacciones entre cuantos individuales, para que los sistemas cuánticos puedan efectuar un procesamiento de información. “Lo que hemos demostrado con este proceso permite hacerlo, dice Lukin. “Antes de desarrollar un interruptor o compuerta lógica fotónica a nivel cuántico debemos mejorar el desempeño, así que aún está a un nivel de prueba de concepto, pero es de todas formas un paso importante. Los principios físicos que hemos establecido aquí son importantes.” El sistema podría ser incluso útil en computación clásica, agrega Lukin, considerando los desafíos de disipación de energía que actualmente enfrentan los fabricantes de chips. Un número de compañías, incluyendo a IBM, han trabajando en el desarrollo de sistemas que se basan en enrutadores ópticos que convierten señales luminosas en señales eléctricas, pero esos sistemas tienen sus propios obstáculos.
Lukin sugiere que el nuevo sistema podría ser algún día llegar a ser usado para crear complejas estructuras tridimensionales, como cristales, hechas completamente de luz. “Para qué será útil, aún no lo sabemos, pero es un estado nuevo de la materia, por lo que esperamos que nuevas aplicaciones puedan emerger según continuemos investigando las propiedades de estas moléculas fotónicas”, concluyó.
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