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Fotones y moléculas

Imagen de Mikhail Lukin vía Harvard.

Los científicos lograron engañar a los fotones (las partículas elementales de luz y todas las demás formas de radiación electromagnética) para formar moléculas por primera vez en un estado de la materia que hasta hace poco había sido puramente teórico.

Científicos de la Universidad de Harvard y el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) están desafiando el paradigma actual: quieren que los físicos reconsideren lo que saben sobre la luz, y no tenían que ir a otra galaxia para hacer esto.

Lo que sucedió es que un grupo dirigido por el profesor de física de Harvard, Mikhail Lukin, y el profesor de física del MIT, Vladan Vuletic, lograron persuadir a los fotones para que se unieran para formar moléculas. El descubrimiento va en contra de décadas de teorías e ideas aceptadas sobre la luz. Los fotones se han descrito constantemente como partículas sin masa que no interactúan entre sí (solo se considera que tienen masa cuando se mueven). Haga brillar dos láseres de fotones uno contra el otro, y los rayos simplemente se atravesarán entre sí. Las moléculas fotónicas parecen un término sin sentido. otra, dijo Luken. Lo que hemos hecho es crear un tipo especial de medio en el que los fotones interactúan entre sí con tanta fuerza que comienzan a actuar como si tuvieran masa y se unen para formar moléculas. Este tipo de estado ligado fotónico se ha discutido teóricamente durante bastante tiempo, pero hasta ahora no se había observado.

Lo que hicieron no es realmente un láser de fotones, sino un sable de luz.

usando la fuerza

Las moléculas fotónicas se comportan menos como los láseres tradicionales y más como algo que podrías encontrar en la ciencia ficción, el sable de luz. (Crédito: Yana / Fotolia)

No es una analogía inadecuada comparar esto con los sables de luz, dijo Lukin. Cuando estos fotones interactúan entre sí, se empujan y se desvían entre sí. La física de lo que sucede en estas moléculas es similar a lo que vemos en las películas.

Pero los investigadores de Harvard realmente no pueden confiar en La Fuerza, así que en su lugar, comenzaron bombeando átomos de rubidio en una cámara de vacío. Después de un tiempo, usaron láseres para enfriar la nube de átomos a unos pocos grados por encima del cero absoluto (la temperatura termodinámica más baja 273,15 en la escala Celsius, 459,67 en la escala Fahrenheit). Luego, utilizando láseres muy débiles, dispararon fotones individuales a la nube de átomos. A medida que los fotones ingresan a la nube, le dan energía a los átomos a lo largo de su camino, lo que hace que disminuyan drásticamente su velocidad. A medida que los fotones se mueven a través de la nube, esa energía se transfiere de un átomo a otro y finalmente sale de la nube con el fotón.

Cuando el fotón sale del medio, se conserva su identidad, dijo Lukin. Es el mismo efecto que vemos con la refracción de la luz en un vaso de agua. La luz entra en el agua, entrega parte de su energía al medio, y en su interior existe como luz y materia acopladas. Pero cuando sale, sigue siendo luz. El proceso que se lleva a cabo es el mismo. Es un poco más extremo. La luz se ralentiza considerablemente y se libera mucha más energía que durante la refracción.

Pero cuando Lukin y sus colegas dispararon dos fotones a la nube, se sorprendieron mucho al ver los resultados: los dos fotones salieron juntos de la nube, como una sola molécula. Este es el efecto de un efecto bastante extraño y poco intuitivo, llamado bloqueo de Rydberg, lo que significa que cuando se excita un átomo, los átomos cercanos no pueden excitarse en el mismo grado. Lo que esto significa para este caso en particular es que cuando el primer fotón excita un átomo, debe avanzar antes de que el segundo pueda excitar los átomos cercanos. Lo interesante es que tienden a conservar este comportamiento similar a una molécula incluso después de salir de la nube.

Fotones con fuerte atracción mutua en un medio cuántico no lineal. Crédito: Naturaleza.

Esto podría resultar valioso para desarrollar computadoras cuánticas; La lógica cuántica requiere interacciones entre cuantos individuales para que los sistemas cuánticos puedan cambiarse para realizar el procesamiento de información.

Lo que demostramos con este proceso nos permite hacer eso, dijo Lukin. Antes de hacer un interruptor cuántico útil y práctico o una puerta lógica fotónica, tenemos que mejorar el rendimiento. Así que todavía está en el nivel de prueba de concepto, pero este es un paso importante. Los principios físicos que hemos establecido aquí son importantes.

El proceso podría usarse en el futuro para crear estructuras 3D, como cristales, únicamente a partir de la luz.

Para qué será útil aún no lo sabemos. Pero es un nuevo estado de la materia, por lo que tenemos la esperanza de que puedan surgir nuevas aplicaciones a medida que continuamos investigando las propiedades de estas moléculas fotónicas, dijo.

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