Ads-728

Ads-728

Psicología

Astrofísica

Genética

Neurociencia

» » Por primera vez unen fotones para formar moléculas

Por Peter Reuell, 27 de septiembre 2013

Los científicos de la Universidad de Harvard y el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) están desafiando la sabiduría convencional acerca de la luz, y ya no ven necesario ir a una galaxia muy lejana de hacerlo.


Trabajando con colegas en el Harvard-MIT Center for Ultracold Atoms, un grupo dirigido por un profesor de Física de Harvard Mikhail Lukin y el también profesor de Física del MIT, Vladan Vuletic, han logrado unir fotones para formar moléculas, un estado de la materia que hasta hace poco tiempo había sido puramente teórica. El trabajo se describe en Nature, en un documento de 25 del corriente.

El descubrimiento, dijo Lukin, va en contra de décadas de sabiduría aceptada sobre la naturaleza de la luz. Los fotones se han descrito durante mucho tiempo como partículas sin masa que no interactúan unos con otros. Heces brillar dos rayos láser enfrentados entre sí, dijo, y simplemente pasan a través unos por otros.

Las moléculas fotónicas, sin embargo, se comportan menos como los láseres tradicionales y más como algo que podría encontrarse en la ciencia ficción: un sable de luz.

"La mayoría de lo que sabemos de las propiedades de la luz tienen su origen en el hecho de que los fotones no tienen masa y que no interactúan entre sí", insistió Lukin. "Lo que hemos hecho es crear un tipo especial de medio en el que los fotones interactúan entre sí con tanta fuerza que comienzan a actuar como si tuvieran masa, uniéndose para formar moléculas. Este tipo de estado enlazado fotónico se ha discutido teóricamente durante bastante tiempo, pero hasta ahora no se había observado .

"No es una analogía baladí comparar esto con sables de luz", reseñó Lukin. "Cuando estos fotones interactúan unos con otros, están empujándose y desviándose unos a otros. La física de lo que ocurre con estas moléculas es similar a lo que vemos en las películas."

Para conseguir que estos fotones se unieran entre sí, Lukin y sus colegas, incluyendo a Ofer Firstenberg, de Harvard y Alexey Gorshkov, doctorando de la misma, y los graduados del MIT, Thibault Peyronel y Qiu Liang, no podía confiar en algo así como la Fuerza. En vez de ello, volvieron a establecer un conjunto de condiciones extremas .

Los investigadores comenzaron por bombear átomos de rubidio en una cámara de vacío, entonces usaron los láseres para enfriar la nube de átomos a unos pocos grados por encima del cero absoluto. Usando pulsos de láser extremadamente débiles, dispararon fotones individuales dentro de la nube de átomos.

Conforme los fotones entran en la nube, cuenta Lukin, su energía va excitando los átomos a lo largo de su trayectoria, causando la ralentización de los fotones. Y a medida que se mueven a través de la nube, su energía va pasando de átomo a átomo, que finalmente sale de la nube con el fotón.

"Cuando el fotón sale del medio, su identidad se conserva", señaló. "Es el mismo efecto que vemos con la refracción de la luz en un vaso de agua. La luz entra en el agua, y entrega parte de su energía al medio, y en su interior existe como luz y materia a la vez. Pero cuando sale, sigue siendo luz. El proceso que acontece es el mismo, sólo que un poco más extremo. La luz se enlentece considerablemente, y mayor parte la energía se pierde que en la refracción."

Cuando Lukin y sus colegas dispararon dos fotones a la nube, se sorprendieron al verlos salir como una sola molécula.

La razón por la que se forman estas moléculas nunca antes vistas es un efecto llamado bloqueo Rydberg, indicó Lukin, lo que significa que cuando un átomo es excitado, los átomos cercanos no pueden ser excitados en el mismo grado. En la práctica, dicho efecto significa que a medida que dos fotones entran en la nube atómica, el primero excita un átomo, pero debe avanzar antes de que el segundo fotón puede excitar los átomos cercanos .

El resultado es que los dos fotones tiran y aflojan entre sí a través de la nube conforme su energía va pasando de un átomo a otro.

"Es una interacción fotónica que está mediada por la interacción atómica", concretó. "Eso hace que estos dos fotones se comporten como una molécula, y cuando salen del medio lo más probable es que lo hagan más juntos que como fotones individuales."

El efecto es inusual, pero tiene algunas aplicaciones prácticas.

"Hacemos esto por diversión, y porque estamos empujando las fronteras de la ciencia", comentó Lukin . "Pero ampliamos el escenario de lo que estamos haciendo, porque los fotones siguen siendo los mejores medios posibles para transportar la información cuántica. La gran dificultad, ha sido que los fotones no interaccionan entre sí."

Para construir un ordenador cuántico, dijo, los investigadores necesitan construir un sistema que pueda preservar la información cuántica y procesarla mediante operaciones lógicas cuánticas. El reto, sin embargo, es que la lógica cuántica requiere interacciones entre los cuantos individuales para que los sistemas cuánticos puedan ser conmutados para realizar el procesamiento de la información.

"Lo que hemos demostrado con este proceso es que nos permite hacer eso", dijo. "Antes de hacer un útil cambio cuántico práctico o una puerta lógica fotónica, tenemos que mejorar el rendimiento. Así que es todavía estamos en el nivel de prueba de concepto, pero esto ya es un paso importante. Los principios físicos que hemos establecido aquí son importantes."

El sistema incluso podría ser útil para la computación clásica , señaló Lukin, teniendo en cuenta los desafíos que supone la disipación de la energía a la que se enfrentan los fabricantes de chips. Varias compañías, como IBM, han estado trabajando para desarrollar sistemas que se basan en routers ópticos que convierten las señales de luz en señales eléctricas, pero tales sistemas se enfrentan a sus propios obstáculos.

Lukin sugirió también que el sistema podría un día ser utilizado para crear estructuras complejas, en 3-D, como cristales, totalmente sin luz.

“Su verdadera utilidad aún no la sabemos. Pero es un nuevo estado de la materia, por lo que tenemos la esperanza de que pueden surgir nuevas aplicaciones a medida que continuamos investigando las propiedades de estas moléculas fotónicas."


- Imagen de Kris Snibbe, fotógrafo de Harvard
- Imagen de espada de laser
.

«
Next
Entrada más reciente
»
Previous
Entrada antigua
Editor del blog Pedro Donaire

Filosofía

Educación

Deporte

Tecnología

Materiales