Los físicos crean una nueva forma de luz

¿y si se pudiera hacer que las partículas de luz interactuaran, atrayéndose y repeliéndose entre sí como átomos en la materia ordinaria?Puede parecer que tal comportamiento óptico requeriría doblar las reglas de la física, pero de hecho, los científicos del MIT, la Universidad de Harvard y otros lugares ahora han demostrado que los fotones pueden interactuar, un logro que podría abrir un camino hacia el uso de fotones. en computación cuántica, si no en sables de luz.

Jennifer Chu | Oficina de noticias del MIT
Créditos: Foto:Christine Daniloff/MIT

Prueba un experimento rápido: lleva dos linternas a una habitación oscura y hazlas brillar para que sus haces de luz se crucen. ¿Notas algo peculiar? La respuesta bastante anticlimática es probablemente no. Eso es porque los fotones individuales que componen la luz no interactúan. En cambio, simplemente pasan de largo, como espíritus indiferentes en la noche.

Pero, ¿y si se pudiera hacer que las partículas de luz interactuaran, atrayéndose y repeliéndose entre sí como átomos en la materia ordinaria? Una posibilidad tentadora, aunque de ciencia ficción: sables de luz: rayos de luz que pueden tirarse y empujarse entre sí, lo que genera enfrentamientos deslumbrantes y épicos. O, en un escenario más probable, dos haces de luz podrían encontrarse y fusionarse en una única corriente luminosa.

En un artículo publicado en la revista Science, el equipo, dirigido por Vladan Vuletic, profesor de física Lester Wolfe en el MIT, y el profesor Mikhail Lukin de la Universidad de Harvard, informa que ha observado grupos de tres fotones interactuando y, de hecho, pegándose para formar un tipo completamente nuevo de materia fotónica.

En experimentos controlados, los investigadores encontraron que cuando proyectaban un rayo láser muy débil a través de una densa nube de átomos de rubidio ultrafríos, en lugar de salir de la nube como fotones separados aleatoriamente, los fotones se unían en pares o trillizos, lo que sugiere algún tipo de interacción, en este caso atracción, que tiene lugar entre ellos.

Si bien los fotones normalmente no tienen masa y viajan a 300.000 kilómetros por segundo (la velocidad de la luz), los investigadores encontraron que los fotones ligados en realidad adquirieron una fracción de la masa de un electrón. Estas partículas de luz recientemente cargadas también eran relativamente lentas, viajando unas 100.000 veces más lento que los fotones normales que no interactúan.

Vuletic dice que los resultados demuestran que los fotones se pueden atraer o entrelazar entre sí. Si se puede hacer que interactúen de otras maneras, los fotones pueden aprovecharse para realizar cálculos cuánticos extremadamente rápidos e increíblemente complejos.

“La interacción de fotones individuales ha sido un sueño muy largo durante décadas”, dice Vuletic.

Los coautores de Vuletic incluyen a Qi-Yung Liang, Sergio Cantu y Travis Nicholson del MIT, Lukin y Aditya Venkatramani de Harvard, Michael Gullans y Alexey Gorshkov de la Universidad de Maryland, Jeff Thompson de la Universidad de Princeton y Cheng Ching de la Universidad de Chicago.

Agrandando y agrandando

Vuletic y Lukin dirigen el MIT-Harvard Center for Ultrafold Atoms, y juntos han estado buscando formas, tanto teóricas como experimentales, para fomentar las interacciones entre fotones. En 2013, el esfuerzo valió la pena, ya que el equipo observó pares de fotones interactuando y uniéndose por primera vez, creando un estado de materia completamente nuevo.

En su nuevo trabajo, los investigadores se preguntaron si las interacciones podrían tener lugar no solo entre dos fotones, sino entre más.

“Por ejemplo, puede combinar moléculas de oxígeno para formar O2 y O3 (ozono), pero no O4, y para algunas moléculas no puede formar ni siquiera una molécula de tres partículas”, dice Vuletic. «Así que era una pregunta abierta: ¿se pueden agregar más fotones a una molécula para hacer cosas cada vez más grandes?»

Para averiguarlo, el equipo utilizó el mismo enfoque experimental que utilizaron para observar las interacciones de dos fotones. El proceso comienza con el enfriamiento de una nube de átomos de rubidio a temperaturas ultrafrías, solo una millonésima de grado por encima del cero absoluto. El enfriamiento de los átomos los ralentiza hasta casi detenerlos. A través de esta nube de átomos inmovilizados, los investigadores emiten un rayo láser muy débil, tan débil, de hecho, que solo un puñado de fotones viajan a través de la nube al mismo tiempo.

Luego, los investigadores miden los fotones a medida que salen del otro lado de la nube de átomos. En el nuevo experimento, encontraron que los fotones fluían como pares y tripletes, en lugar de salir de la nube a intervalos aleatorios, como fotones individuales que no tienen nada que ver entre sí.

Además de rastrear el número y la velocidad de los fotones, el equipo midió la fase de los fotones, antes y después de viajar a través de la nube de átomos. La fase de un fotón indica su frecuencia de oscilación.

“La fase te dice qué tan fuertemente están interactuando, y cuanto más grande es la fase, más fuertes están unidos”, explica Venkatramani. El equipo observó que a medida que las partículas de tres fotones salían de la nube de átomos simultáneamente, su fase cambiaba en comparación con lo que era cuando los fotones no interactuaban en absoluto, y era tres veces más grande que el cambio de fase de las moléculas de dos fotones. «Esto significa que estos fotones no son solo cada uno de ellos interactuando de forma independiente, sino que todos juntos interactúan fuertemente».

Encuentros memorables

Luego, los investigadores desarrollaron una hipótesis para explicar qué pudo haber causado que los fotones interactuaran en primer lugar. Su modelo, basado en principios físicos, presenta el siguiente escenario: cuando un solo fotón se mueve a través de la nube de átomos de rubidio, aterriza brevemente en un átomo cercano antes de saltar a otro átomo, como una abeja revoloteando entre flores, hasta que alcanza el Otro final.

Si otro fotón viaja simultáneamente a través de la nube, también puede pasar algún tiempo en un átomo de rubidio, formando un polaritón, un híbrido que es en parte fotón y en parte átomo. Entonces, dos polaritones pueden interactuar entre sí a través de su componente atómico. En el borde de la nube, los átomos permanecen donde están, mientras que los fotones salen, todavía unidos. Los investigadores encontraron que este mismo fenómeno puede ocurrir con tres fotones, formando un vínculo aún más fuerte que las interacciones entre dos fotones.

“Lo interesante fue que estos trillizos se formaron”, dice Vuletic. «Tampoco se sabía si estarían igual, menos o más fuertemente unidos en comparación con los pares de fotones».

Toda la interacción dentro de la nube de átomos ocurre durante una millonésima de segundo. Y es esta interacción la que hace que los fotones permanezcan unidos, incluso después de haber abandonado la nube.

“Lo bueno de esto es que cuando los fotones atraviesan el medio, cualquier cosa que suceda en el medio, ‘recuerdan’ cuando salen”, dice Cantu.

Esto significa que los fotones que han interactuado entre sí, en este caso a través de una atracción entre ellos, pueden considerarse fuertemente correlacionados o entrelazados, una propiedad clave para cualquier bit de computación cuántica.

“Los fotones pueden viajar muy rápido en largas distancias y la gente ha estado usando la luz para transmitir información, como en las fibras ópticas”, dice Vuletic. “Si los fotones pueden influirse entre sí, entonces si puedes entrelazar estos fotones, y lo hemos hecho, puedes usarlos para distribuir información cuántica de una manera interesante y útil”.

En el futuro, el equipo buscará formas de coaccionar otras interacciones como la repulsión, donde los fotones pueden dispersarse entre sí como bolas de billar.

“Es completamente novedoso en el sentido de que a veces ni siquiera sabemos cualitativamente qué esperar”, dice Vuletic. “Con la repulsión de los fotones, ¿pueden ser tales que formen un patrón regular, como un cristal de luz? ¿O sucederá algo más? Es un territorio muy desconocido «.

Esta investigación fue apoyada en parte por la National Science Foundation.

«Reimpreso con permiso de MIT News»



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