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Los científicos crean una nueva forma de luz al vincular fotones

Es un vistazo a la ciencia ficción hecho realidad: los científicos han creado una nueva forma de luz que algún día podría usarse para construir cristales de luz. Pero antes de que los aspirantes a Jedis comiencen a exigir sus sables, es mucho más probable que el avance conduzca a nuevas e intrigantes formas de comunicación e informática, informan los investigadores esta semana en Science .

La luz está hecha de fotones: pequeños paquetes de energía veloces y pequeños. Por lo general, los fotones no interactúan entre sí, por lo que cuando se usan linternas "no se ve que los rayos de luz rebotan entre sí, se ve que se atraviesan", explica Sergio Cantu, Ph.D. candidato en física atómica en el Instituto de Tecnología de Massachusetts. Sin embargo, en nuevos experimentos, los físicos persuadieron a los fotones individuales para que se acoplasen entre sí y se unieran, de forma similar a la forma en que los átomos individuales se unen en las moléculas.

La danza de fotones ocurre en un laboratorio en el MIT donde los físicos realizan experimentos de mesa con láser. Cantu, su colega Aditya Venkatramani, Ph.D. candidato en física atómica en la Universidad de Harvard, y sus colaboradores comienzan creando una nube de átomos de rubidio refrigerados. El rubidio es un metal alcalino, por lo que generalmente se ve como un sólido blanco plateado. Pero vaporizar el rubidio con un láser y mantenerlo ultrafrío crea una nube que los investigadores contienen en un pequeño tubo y magnetizan. Esto mantiene los átomos de rubidio difusos, de movimiento lento y en un estado altamente excitado.

Luego, el equipo dispara un láser débil a la nube. El láser es tan débil que solo un puñado de fotones ingresan a la nube, explica un comunicado de prensa del MIT. Los físicos miden los fotones cuando salen del otro lado de la nube y es cuando las cosas se ponen raras.

Normalmente, los fotones viajarían a la velocidad de la luz, o casi 300, 000 kilómetros por segundo. Pero al pasar a través de la nube, los fotones se arrastran 100, 000 veces más lento de lo normal. Además, en lugar de salir de la nube al azar, los fotones aparecen en pares o trillizos. Estos pares y trillizos también emiten una firma de energía diferente, un cambio de fase, que les dice a los investigadores que los fotones están interactuando.

"Inicialmente, no estaba claro", dice Venkatramani. El equipo había visto dos fotones interactuar antes, pero no sabían si eran posibles trillizos. Después de todo, explica, una molécula de hidrógeno es una disposición estable de dos átomos de hidrógeno, pero tres átomos de hidrógeno no pueden permanecer juntos por más de una millonésima de segundo. "No estábamos seguros de que tres fotones fueran una molécula estable o algo que pudiéramos ver", dice.

Sorprendentemente, los investigadores descubrieron que la agrupación de tres fotones es aún más estable que dos. "Cuanto más agregas, más se unen", dice Venkatramani.

Pero, ¿cómo se juntan los fotones? El modelo teórico de los físicos sugiere que cuando un solo fotón se mueve a través de la nube de rubidio, salta de un átomo a otro, "como una abeja revoloteando entre las flores", explica el comunicado de prensa. Un fotón puede unirse brevemente a un átomo, formando un fotón-átomo híbrido o polaritón. Si dos de estos polaritones se encuentran en la nube, interactúan. Cuando alcanzan el borde de la nube, los átomos se quedan atrás y los fotones navegan hacia adelante, aún unidos. Agregue más fotones y el mismo fenómeno da lugar a trillizos.

"Ahora que entendemos lo que lleva a que las interacciones sean atractivas, puedes preguntar: ¿puedes hacer que se repelen entre sí?" dice Cantu. Básicamente, jugar con la interacción podría revelar nuevas ideas sobre cómo funciona la energía o de dónde proviene, dice.

A los fines de los avances tecnológicos, los fotones unidos de esta manera pueden transportar información, una cualidad que es útil para la computación cuántica. Y la computación cuántica podría generar códigos indescifrables, relojes ultraprecisos, computadoras increíblemente potentes y más. Lo que es tan atractivo de codificar información en fotones es que los fotones pueden transportar su información a través de distancias muy rápidamente. Los fotones ya aceleran nuestras comunicaciones a lo largo de las líneas de fibra óptica. Los fotones unidos o enredados podrían transmitir información cuántica compleja casi instantáneamente.

El equipo prevé controlar las interacciones atractivas y repulsivas de los fotones de manera tan precisa que puedan organizar los fotones en estructuras predecibles que se mantengan juntas como cristales. Algunos fotones se repelen entre sí, separándose hasta encontrar su propio espacio, mientras que otros sostienen la formación más grande y evitan que los repelentes se dispersen. Su disposición modelada sería un cristal ligero. En un cristal claro, "si sabes dónde está un fotón, entonces sabes dónde están los otros detrás de él, a intervalos iguales", dice Venkatramani. "Esto podría ser muy útil si desea tener comunicación cuántica a intervalos regulares".

El futuro que podrían permitir tales cristales puede parecer más nebuloso que uno en el que las personas luchan con sables de luz, pero aún podría contener avances aún más impresionantes e inimaginables.

Nota del editor: esta historia se ha corregido para reflejar que los fotones, no los átomos, entran en la nube de rubidio y su velocidad disminuye mientras pasan.

Los científicos crean una nueva forma de luz al vincular fotones