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  • Investigación y Ciencia
  • Marzo 2019Nº 510
Panorama

Física cuántica

Óptica cuántica sin fotones

Un nuevo montaje ha usado el comportamiento ondulatorio de los átomos para simular algunos aspectos exóticos de la interacción entre la luz y la materia.

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La óptica cuántica es la teoría fundamental que describe la interacción entre la luz y la materia. Una de sus consecuencias más llamativas y tangibles es que, en el vacío (el estado en el que no hay fotones), un átomo excitado puede regresar a su estado fundamental mediante la emisión de un fotón, un proceso conocido como emisión espontánea. En 1946, Edward Mills Purcell propuso que dicho fenómeno debería poder controlarse con ayuda de estructuras que alterasen el entorno. Un ejemplo lo hallamos en los cristales fotónicos: aislantes que impiden que la luz de ciertas frecuencias se propague a su través.

En los años noventa, los físicos Sajeev John y Tran Quang, de la Universidad de Toronto, predijeron que la emisión espontánea en un cristal fotónico produciría desexcitaciones inusuales. En ellas, los fotones adoptarían un estado de superposición: serían emitidos al entorno pero, al mismo tiempo, permanecerían localizados alrededor de los átomos emisores. En un artículo publicado hace poco en Nature, Ludwig Krinner, de la Universidad de Stony Brook, y otros investigadores han anunciado la primera observación de la dinámica de esas desexcitaciones exóticas. Sin embargo, no lo han conseguido empleando fotones, sino átomos ultrafríos.

 

Átomos apresados

Los átomos de Krinner y sus colaboradores se hallaban atrapados en redes ópticas: retículos lumínicos que se forman haciendo coincidir rayos láser, de modo que la interferencia entre ellos genere un patrón periódico en la intensidad de la luz. En los mínimos de esa configuración periódica es donde quedan atrapados los átomos.

Dada su naturaleza cuántica, los átomos pueden pasar de un sitio de la red a otro adyacente por efecto túnel. La probabilidad de que eso ocurra puede ajustarse modificando las intensidades de los láseres. Dado que estos sistemas pueden controlarse con precisión y muestran poca decoherencia (los átomos están muy bien aislados del entorno y, por tanto, se comportan de manera ideal), constituyen una plataforma casi perfecta para simular problemas cuánticos complejos, como los que encontramos en la física de la materia condensada o en física de altas energías [véase «Simulación cuántica de procesos en física de partículas», por Esteban A. Martínez; Investigación y Ciencia, diciembre de 2016]. Ahora, Krinner y sus colaboradores han demostrado que los mismos sistemas pueden usarse también para simular fenómenos de óptica cuántica.

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