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Científicos crean una nueva forma de materia con moléculas de luz

Logran unir fotones como si fueran átomos, un avance que podría tener aplicaciones en la computación cuántica


Quizá, algún día, podamos ver estructuras tridimensionales hechas con luz, como la espada láser de Skywalker, porque científicos de la Universidad de Harvard y del MIT han conseguido, por vez primera, crear una molécula de fotones, las partículas elementales de todas las formas de radiación electromagnética (incluida la luz visible). El resultado, además de sorprendente, podría resultar útil en computación cuántica. Por Marta Lorenzo.





¿Por qué el sable de luz de Luke Skywalker en Star Wars nunca ha llegado a ser un objeto real? Porque, hasta ahora, las partículas elementales de la luz (los fotones) nunca se habían unido unas a otras como hacen los átomos para dar lugar a las moléculas que conforman la materia.

Pero quizá, algún día, podamos ver estructuras tridimensionales hechas a partir de luz, si atendemos al avance realizado por científicos de la Universidad de Harvard y del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT).

Estos investigadores han desafiado todos los conocimientos tradicionales sobre la luz, al conseguir agrupar fotones. Según ellos, esto ha supuesto la creación de un estado de la materia que, hasta la fecha, había sido sólo teórico.

El logro fue obra del profesor de física de la Universidad de Harvard, Mikhail Lukin, y del profesor de física del MIT, Vladan Vuletic, que han trabajado en colaboración con investigadores del Center for Ultracold Atoms. Sus resultados aparecen detallados en la revista Nature.

Hasta la fecha, siempre se había descrito a los fotones como partículas sin masa que no interaccionan entre sí. Por eso, si cruzamos dos haces láser, éstos, simplemente, se atravesarán el uno al otro. Pero existe una manera de hacer que la luz, al combinarse, dé lugar a “moléculas fotónicas”, han descubierto los científicos.

Según explica Lukin en un comunicado de la Universidad de Harvard divulgado por Eurekalert: "Lo que hemos logrado es crear un tipo especial de medio en el que los fotones sí interactúan entre ellos, con tanta fuerza que comienzan a funcionar como si tuvieran masa, hasta unirse para formar moléculas. Este tipo de enlace fotónico se ha discutido teóricamente durante bastante tiempo, pero hasta ahora no se había observado”.

"No es una analogía inapropiada comparar el resultado con las espadas láser", asegura Lukin, pues lo que sucede con estas moléculas fotónicas “sería similar a lo que vemos en las películas".

La sorpresa

Para conseguir que fotones sin masa se uniesen a otros fotones, Lukin y sus colaboradores generaron un entorno con condiciones extremas.

En primer lugar, bombearon átomos de rubidio‎ en una cámara de vacío, cuya baja presión permite llevar a cabo experimentos físicos. Esa nube de átomos fue a continuación enfriada con un láser, hasta que alcanzó una temperatura de unos pocos grados por encima del cero absoluto (que se corresponde con −273,15 °C aproximadamente).

Después, usando pulsos de láser extremadamente débiles, los científicos dispararon fotones aislados al interior de dicha nube. Una vez allí, la energía de cada fotón excitó a los átomos a lo largo de su trayectoria, lo que hizo que estas partículas se desaceleraran dramáticamente. Así, a medida que cada fotón se movía a través de la nube, su energía pasó de átomo en átomo, hasta salir de la nube con el propio fotón.

"Cuando el fotón abandona el medio, su identidad se conserva. Es el mismo efecto que vemos con la refracción de la luz en un vaso de agua. La luz penetra en el agua y cede parte de su energía al medio, en el que existe como luz y materia acopladas entre sí, pero cuando sale, sigue siendo luz. El proceso que tiene lugar en la nube de átomos es el mismo, sólo que un poco más extremo: la luz se desaceleró considerablemente, y cedió mucha más energía de la que se pierde en la refracción", explica Lukin.

Luego vino la sorpresa: cuando Lukin y su equipo, en lugar de disparar fotones aislados, dispararon dos fotones dentro de la nube de átomos, lo que salió de ésta no fueron los dos fotones por separado, sino los dos juntos, como una sola molécula.

¿Cómo se formaron?

Lukin señala que existe un efecto llamado “bloqueo Rydberg” que establece que cuando un átomo es excitado, los átomos cercanos no pueden ser excitados al mismo nivel. En la práctica, esto supone que, a medida que los dos fotones entran en la nube atómica, el primero excita a un átomo, pero debe avanzar antes de que el segundo fotón pueda excitar a otros átomos cercanos.

La consecuencia es que los dos fotones se empujaron y tiraron el uno del otro a través de la nube, a medida que su energía era cedida de un átomo al siguiente. Se produjo así "una interacción fotónica mediada por la interacción atómica”, lo que a su vez hizo que “los dos fotones se comportasen como una molécula y que, cuando abandonaron el medio, fueran mucho más propicios a hacerlo juntos que como fotones aislados”.

Posible aplicación en computación cuántica

Aunque este efecto es inusual, tendría algunas aplicaciones prácticas. “Nosotros hemos hecho esto por diversión y por forzar las fronteras de la ciencia, pero el hallazgo va más allá, porque los fotones siguen siendo el mejor medio posible para trasladar información cuántica. La desventaja, sin embargo, ha sido siempre que los fotones no interaccionen entre sí".

Así que este método podría ayudar a desarrollar la computación cuántica, porque para construir un ordenador cuántico es preciso desarrollar un sistema capaz de preservar la información cuántica, y de procesarla mediante operaciones lógicas cuánticas.

El reto radica en que la lógica cuántica requiere interacciones entre los cuantos individuales, de manera que los sistemas puedan llevar a cabo el procesamiento de la información. "Lo que hemos demostrado con este proceso nos permitiría hacer eso", dice Lukin.

Estructuras tridimensionales hechas de luz

Lukin sugiere, por otra parte, que este método algún día podría incluso servir para crear complejas estructuras
tridimensionales - como cristales – completamente surgidos de la luz. “Aún no sabemos la utilidad que tendrá, pero hay esperanzas de que surjan nuevas aplicaciones a medida que vayamos investigando las propiedades estas moléculas fotónicas", concluye.

Referencia bibliográfica:

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.


Jueves, 26 de Septiembre 2013
Marta Lorenzo
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Nota



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1.Publicado por Alejandro Álvarez Silva el 26/09/2013 18:45
Interesante experimento. Estaremos pendientes de sus aplicaciones. Saludos:
Alejandro Álvarez

2.Publicado por Tom Wood el 26/09/2013 19:25
Si, dentro de mi modelo de la interaction Luz-Luz fuerte y debil; esto no es mas que una interaction debil. Ellos estan tan sorprendidos que hablan de interacion muy fuerte entre los fotones, o energiascampos; pero no eso es una interacion L-L debil. En la interacion L-L fuerte hay trasformacion de energiascampos; en energiasmasas y viceverza. Claro que escogieron el camino mas largo para ver la ciudad de Roma. La interaccion Luz-Luz debil, es lo mas comun que existe. Aunque cientos de mis comentarios han sido censurados por creerlos locos; todabia deben quedar algunos por ahi que expliquen mi modelo. De todos modos si Dios me sigue dando tiempo Web; tratare de ver si los pongo todos en mi blog chatarra, una cortesia para los hispanos. Donde casi todos los articulos los pase a borradores, por la agrecibidad hacia mis ideas; hasta ver si puedo sacar la ley general de los simples experimentos consevidos. En los que si todo esta claro. Eso para que disfruten , al menos de forma general sus enormes alcances como columna vertebral del 6to paradigma. Bueno, hasta que logre armar el muneco complete; con el modelo de la extructura del electron y los experimentos triviales de la interaction L-L debil; que es lo que yo me guardo como now how. Porque la interacion L-L fuerte, no tengo suficientes recursos para demostrarla experimentalmente; pero no es necesario, ya que puedo decirles, midan aqui o alla, de esta forma o de otra,... y veran que hasta cierto punto es bastante comun. Ah y no se asusten, el modelo de la interacion L-L no esta en contradicion con nada de lo establecido que provenga de echos experimentales comprobados. Y ademas es capas de explicar cosas que la fisica actual ni se las pregunta: como porque la velocidad de la luz es constante, independientemmente de la velocidad de la fuente que la produce o porque las energiamasas no alcanzan su velocidad;... cosas asi.

3.Publicado por Lucas Happy PacMan el 26/09/2013 20:36
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Y esta materia "de luz" ¿se apagaría? y si es así, los fotones simplemente pasarían a una frecuencia no visible para los humanos, ¿U ocurriría otra cosa? Y eso significaría que siguen actuando como ondas. Quizás la respuesta a esto es evidente y soy tonto, pero por favor, si alguien lo sabe, que lo diga!

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