Consiguen solidificar la luz usando un átomo artificial como 'modelo'

Investigadores de la Universidad de Princeton (EEUU) han comenzado a cristalizar la luz para tratar de responder a preguntas fundamentales sobre la física de la materia; y para desarrollar materiales exóticos, tales como superconductores a temperatura ambiente.

En otras palabras, están transformando la luz en cristal. Pero, ¿cómo? Pues reuniendo fotones, las partículas lumínicas básicas, y fijándolos en un espacio.

"Es algo que nunca se ha visto antes", afirma Andrew Houck, profesor asociado de ingeniería eléctrica de dicha Universidad, y uno de los autores del avance, en un comunicado institucional. "Este es un nuevo comportamiento de la luz."

Los resultados plantean posibilidades interesantes para el desarrollo de diversos materiales futuros. Pero el mismo método podría usarse también para abordar las misteriosas cuestiones sobre la materia de las que se ocupa la física de la materia condensada (disciplina que estudia las fases “condensadas” que aparecen cuando el número de constituyentes en un sistema es extremadamente grande, y sus interacciones fuertes).

"Estamos interesados ​​en explorar - y en última instancia, controlar y dirigir - el flujo de energía a nivel atómico", explica por su parte Hakan Türeci, profesor asistente de ingeniería eléctrica y otro de los miembros del equipo de investigación. "El objetivo es entender mejor los materiales y sus procesos, para evaluar los (nuevos) materiales que podríamos crear".

Comprender el comportamiento de las partículas

Los hallazgos, detallados en la revista Physical Review X, han sido realizados en el marco de la búsqueda de un ambicioso objetivo: crear un dispositivo capaz de simular el comportamiento de las partículas subatómicas, para estudiarlas y conocerlas.

El conocimiento profundo de los átomos y de las moléculas se resiste. Resulta algo inalcanzable hoy día, incluso con los ordenadores más potentes, porque estos operan bajo las reglas de la mecánica clásica (válidas para comprender el comportamiento de objetos como las canicas o los planetas); y átomos y moléculas van por otro lado.

Estos últimos se rigen por las reglas de la mecánica cuántica, un sistema que incluye características tan extrañas y contrarias a la intuición como la del "entrelazamiento cuántico" que, a grandes rasgos, funciona de la siguiente forma: una vez que dos o más partículas se vinculan, siguen afectándose e influyéndose las unas a otras, aunque luego se encuentren separadas por largas distancias.

En definitiva, la diferencia entre las reglas cuánticas y las clásicas limitan la capacidad de una computadora estándar para estudiar de manera eficiente los sistemas cuánticos. 

Una alternativa de estudio

Los científicos han esperado durante mucho tiempo el advenimiento de los ordenadores cuánticos para solucionar este problema.

Creen que un sistema informático basado en las reglas de la mecánica cuántica sí podría permitir conocer los materiales a nivel subatómico, el comportamiento de sus componentes más básicos.

Estos otros ordenadores, basados en el uso de qubits en lugar de bits y con nuevas puertas lógicas que harían posibles nuevos algoritmos, podrían abordar y arrojar luz sobre algunos problemas actualmente intratables.

Sin embargo, estas herramientas aún no se han podido desarrollar, por incontables desafíos y dificultades como sus errores arbitrarios o su fragilidad.

Por ello, para resolver esta carencia, el equipo de Princeton ha seguido otro enfoque: construir un sistema que simula directamente un comportamiento cuántico deseado. Así, aunque cada una de estas máquinas se limite a una sola tarea (un comportamiento cuántico concreto), permitirían ya responder a algunos de los problemas cuánticos más difíciles sobre la materia.

Luz que chapotea o que se congela

Para construir el dispositivo en cuestión, los investigadores crearon, con materiales superconductores, una estructura que contiene 100 mil millones de átomos y diseñada para actuar como un solo "átomo artificial".

Luego colocaron dicho átomo artificial cerca de un cable superconductor que contenía fotones. Merced a las reglas de la mecánica cuántica, los fotones del cable adquirieron, como por "contagio", algunas de las propiedades del átomo artificial, esto es, quedaron vinculados a él en cierto sentido.

Este hecho cambió su comportamiento, de tal forma que los fotones, que normalmente no interactúan entre ellos, empezaron a hacerlo. El resultado fue el siguiente: la luz pasó a mostrar un comportamiento colectivo insólito y "similar a las fases de la materia que se dan en los líquidos y los cristales que estudia la física de la materia condensada", explica Darius Sadri, otro de los protagonistas del avance.

"Aquí hemos creado una situación en la que la luz se comporta efectivamente como una partícula, en el sentido de que dos fotones pueden interactuar con mucha fuerza", añade. "En uno de los modos de funcionamiento (provocados), la luz chapotea de un lado a otro, como un líquido; en el otro modo, se congela".

El dispositivo en cuestión es relativamente pequeño, y consta de solo dos partes: aquella en que el átomo artificial permanece, y el cable superconductor.

Pero los investigadores creen que, mediante la expansión del dispositivo y del número de interacciones, se podría aumentar la capacidad de la máquina para que esta simule sistemas más complejos, desde una molécula a un material completo. Futuros dispositivos con cientos de partes permitirían observar fases exóticas de la luz, similares a las de los superfluidos y los materiales aislantes, esperan.

Sorprendente... pero no es la primera vez

Que la luz pueda solidificarse parece ciencia ficción pura. Cualquiera puede recordar en este momento el sable de luz de Luke Skywalker en Star Wars, hecho de luz láser; y su capacidad de hacer daño a los malvados.

Pero, por más sorprendente que nos parezca, no es la primera vez que se consigue. El año pasado, científicos de la Universidad de Harvard y del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) también lograron agrupar fotones dando lugar a un estado de la luz que, hasta el momento, había sido solo teórico.

En este caso, se hizo creando un tipo especial de medio en el que los fotones sí interactuaban entre ellos, con tanta fuerza que comenzaron a funcionar como si tuvieran masa, hasta unirse para formar moléculas.

Estos otros investigadores, que declararon que habían hecho este trabajo "por diversión y por forzar las fronteras de la ciencia", afirmaron que su método, algún día, podría servir para crear complejas estructuras tridimensionales -como cristales –completamente surgidas de la luz. Parece que ese día ahora esta más cerca.

Referencia bibliográfica:

J. Raftery, D. Sadri, S. Schmidt, H. E. Türeci, A. A. Houck. Observation of a Dissipation-Induced Classical to Quantum Transition://. Physical Review X (2014). DOI: 10.1103/PhysRevX.4.031043.

Ofer Firstenberg, Thibault Peyronel, Qi-Yu Liang, Alexey V. Gorshkov, Mikhail D. Lukin, Vladan Vuletić. Attractive photons in a quantum nonlinear medium. Nature (2013). DOI: 10.1038/nature12512. 

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