Los científicos llegan a las puertas de la luz cuántica

Un nuevo estudio ha localizado el punto exacto en el que se origina la luz cuántica en el interior de un átomo y, además, ha descubierto cómo manipularlo. El hallazgo potenciará la investigación médica, la computación cuántica y la astrofísica.

Por primera vez, un equipo internacional de físicos ha demostrado que es posible identificar y manipular pequeñas cantidades de fotones que interactúan en el interior de un átomo. Un hito sin precedentes en el desarrollo de las tecnologías cuánticas.

Para entender el alcance de este desarrollo tecnológico hay que comprender cómo funcionan los láseres y cómo se produce la emisión de luz a nivel de los átomos.

La luz se produce en el interior de los átomos. Es la parte de la radiación electromagnética que puede ser percibida por el ojo humano. Emerge como resultado de la dinámica de los electrones que rodean al núcleo: son como moscas pesadas de las que el átomo no puede desprenderse. Forman una especie de escalones que se diferencian entre sí por sus respectivos niveles de energía. 

Escalones de energía

Es decir, cuando esos electrones bajan de escalones, emiten fotones. Así es como se forma la luz que nos maravilla. Este proceso cuántico se denomina emisión espontánea de luz.

Pero hay más: esos fotones recién nacidos se meten también en el juego que siguen los electrones en torno al átomo y, de “una patada”, pueden provocar que un electrón baje uno de los escalones. Y cuando cae, genera otro fotón que es idéntico al que le dio la patada. Este proceso se llama emisión de luz estimulada y hoy es un potente recurso tecnológico.

Átomos divertidos

El juego no termina ahí porque un fotón recién llegado por el juego de los electrones puede también absorberse e impulsar la subida de un electrón a un escalón de energía superior. Ese proceso se llama absorción estimulada. Cuando eso ocurre, la luz se esfuma.

Con toda esta información nos podemos imaginar entonces que el interior de un átomo es algo tremendamente divertido: se parece al patio de un colegio con muchos niños jugando alocadamente, empujándose unos a otros, absorbiendo o emitiendo luz en ese proceso.

Con un detalle importante: la emisión de luz se impone a la absorción (oscuridad) si hay más niños (fotones) en los escalones superiores empujando electrones a los escalones inferiores para que emitan más niños (fotones gemelos de los que los han empujado) y seguir iluminando el interior de un átomo.

Láseres coherentes

Así es como surgen muchos fotones en el interior de los átomos en uno de los procesos cuánticos más espectaculares: los láseres. Laser es un acrónimo que significa amplificación de la luz por la emisión estimulada de radiación.

Todas las ondas electromagnéticas que forman el haz de luz láser lo hacen de forma coherente, es decir, son constantes, tanto temporal como espacialmente, lo que permite generar un patrón de interferencia estable que facilita su manipulación tecnológica.

De todo este conocimiento, lo más importante no es que hemos conseguido observar los trajines que tienen los átomos en su interior, a pesar de que cada uno de esos átomos mide solo una diezmilmillonésima de metro.

Lo realmente importante es que hemos desarrollado una tecnología para amplificar la luz en ese espacio tan insignificante: lo conseguimos concentrando muchos electrones en los escalones superiores, para que se desencadene espontáneamente el proceso de generación de luz. Ese proceso se llama inversión de población y es el que permite la generación y manipulación de los láseres.

Se estrecha el cerco

La nueva investigación, desarrollada por científicos de las universidades de Sídney (Australia) y Basilea (Suiza), dirigidos por Sahand Mahmoodian, ha refinado la tecnología que modula la obtención de láseres en el interior de un átomo.

Ya no pretende estimular la emisión de luz, sino estrechar el cerco de la dinámica de los fotones una vez que han sido emitidos por los electrones. No es albo baladí: las interacciones que mantienen los fotones dentro de los rayos de luz las usamos, por ejemplo, para enviar información a través de los cables de fibra óptica. Es así como podemos disfrutar en casa de la película que estamos viendo en la tele.

Gracias a la nueva investigación, hemos podido captar más detalles del momento de la emisión de fotones que se produce en los escalones de electrones que rodean al núcleo atómico.

Luz cuántica

Estos científicos han podido ver lo que pasa cuando un electrón cae al escalón inferior: los fotones emergentes, sueltos y unidos, se concentran a diferentes velocidades (medidas en este experimento) en un solo punto que los investigadores han llamado “luz cuántica”, a partir del cual amplifican su efecto lumínico.

Los fotones individuales y los estados unidos de dos y tres fotones tienen diferentes retrasos en llegar a ese punto de luz, que se acortan cuando el número de fotones es mayor. Este retraso reducido es una huella digital de la emisión estimulada que puede ser aprovechada tecnológicamente, explican los investigadores en el artículo que publican en Nature Physics.

Aseguran que esta huella digital abre la puerta para manipular la luz cuántica: eso significa que no solo hemos identificado el punto exacto en el que se origina la luz (podríamos llamarlo también punto Alpha), sino que también hemos alcanzado una capacidad inédita de enlazar y manipular fotones en esa interacción con el punto Alpha, lo que nos permitirá conseguir nuevos e importantes desarrollos tecnológicos.

Usos prácticos

“Al demostrar que podemos identificar y manipular estados unidos de fotones, hemos dado un primer paso fundamental para aprovechar la luz cuántica para un uso práctico”, explica Mahmoodian en un

comunicado

.

La autora principal conjunta, Natasha Tomm, añade: “este experimento es hermoso, no solo porque valida un efecto fundamental, la emisión estimulada, en su límite máximo, sino que también representa un gran paso tecnológico hacia aplicaciones avanzadas”.

Y añade: “podemos aplicar los mismos principios para desarrollar dispositivos más eficientes que nos proporcionen estados de enlace de fotones. Esto es muy prometedor para aplicaciones en una amplia gama de áreas: desde la biología hasta la fabricación avanzada y el procesamiento de la información cuántica”.

En particular, este descubrimiento podría contribuir al desarrollo de ordenadores cuánticos más robustos y a mejorar los interferómetros que se utilizan para imágenes médicas, oceanografía, espectrometría o incluso en astrofísica.

Referencia

Photon bound state dynamics from a single artificial atom

. Natasha Tomm et al. Nature Physics (2023). DOI :https://doi.org/10.1038/s41567-023-01997-6