Luz ‘sólida’ que podría calcular problemas que se creían sin solución

Un “átomo artificial” hace que los fotones se comporten de manera exótica.

La oscilación de fotones crea una imagen de luz congelada. Primero, los fotones fluyen fácilmente entre dos sitios superconductores, generando las ondas grandes que se muestran en el lado izquierdo. Después de cierto tiempo, los científicos hacen que la luz “se congele”, atrapando los fotones en un lugar específico. Las oscilaciones rápidas del lado derecho de la imagen son evidencia de ese nuevo comportamiento de luz atrapada. (Crédito: Princeton University)

Investigadores de la Universidad de Princenton han “cristalizado” la luz. Y no es que hagan pasar luz a través de un cristal –en realidad transforman luz en cristal, como parte de un esfuerzo por desarrollar materiales exóticos, tales como superconductores a temperatura ambiente.

Los investigadores fijaron fotones a un espacio determinado. “Es algo que nunca habíamos visto antes”, dijo Andrew Houck, profesor de ingeniería eléctrica y uno de los miembros de esta investigación. “Este es un nuevo comportamiento para la luz”.

Los resultados obtenidos hacen pensar en posibilidades intrigantes para una variedad enorme de materiales futuros y a la vez  aborda cuestiones relacionadas con la física de materia condensada– el estudio fundamental de la materia.

Los resultados obtenidos, publicados en la revista Physical Review X (acceso abierto) el pasado 8 de septiembre, son parte de un esfuerzo mayor que busca responder preguntas fundamentales acerca del comportamiento atómico al crear un dispositivo que pueda simular el comportamiento de partículas subatómicas.

Computadoras cuánticas con un propósito especial

Tal tipo de herramientas podría ser un método invaluable para responder preguntas sobre átomos y moléculas que no ha sido posible responder aún con las computadoras más avanzadas. En parte esto se debe a que las computadoras actuales operan bajo las reglas de la mecánica clásica, mientras que el mundo de los átomos y fotones obedece las reglas de la mecánica cuántica, que incluye un número importante de características extrañas y poco comunes.

Una de estas propiedades es conocida como “entrelazamiento”, en el cual múltiples partículas se enlazan y pueden afectarse a muy grandes distancias. Una computadora basada en las reglas de la mecánica cuántica podría ayudar a solucionar estos problemas que resultan hoy insalvables. Sin embargo, la construcción de una computadora cuántica ha resultado ser extremadamente difícil.

Otra posibilidad, y que es la que toma el equipo de Princenton, es construir un sistema que simule directamente el deseado comportamiento cuántico. Aunque cada máquina está limitada a una tarea específica y única, permitiría a los investigadores responder preguntas importantes sin tener que resolver antes algunos de los problemas más difíciles involucrados en crear una computadora cuántica de propósito general.

El dispositivo podría incluso permitir a los físicos explorar preguntas fundamentales sobre el comportamiento de la materia al simular materiales que sólo existen en la imaginación de los físicos.

Un “átomo artificial” que hace a los fotones comportarse como partículas

Para construir este tipo de máquinas, los investigadores crearon una estructura hecha de materiales superconductores que contiene alrededor de 100 mil millones de átomos coordinados para actuar como un sólo “átomo artificial”. Colocaron este átomo artificial cerca de un cable superconductor que contiene fotones.

A partir de las reglas de la mecánica cuántica, los fotones en el cable heredan algunas de las propiedades del átomo artificial –en cierto sentido los enlaza. Normalmente, los fotones no interactúan entre sí, pero en este sistema los investigadores pueden crear un nuevo comportamiento en el cual los fotones inician a interactuar de manera similar a las partículas.

“Hemos utilizado este enlace entre los fotones y el átomo para crear artificialmente interacciones fuertes entre los fotones”, dijo Darius Sadri, investigador participante. “Estas interacciones llevan a un comportamiento colectivo completamente nuevo para la luz –similar al de otras fases de la materia, líquidos y cristales, por ejemplo, estudiados en física de materia condensada”.

Luz radical

Se conoce a partir del experimento de Young, también denominado experimento de la doble rendija, y otros experimentos más, que algunas veces la luz se comporta como onda y otras como partícula. Sin embargo, los investigadores de Princenton han creado un comportamiento de partículas completamente nuevo.

“Hemos conformado un experimento en donde la luz efectivamente se comporta como una partícula en el sentido que dos fotones pueden interactuar entre sí fuertemente”, dijo. “En un modo de la operación, la luz va y viene como un líquido, en otro modo, se congela.”

El dispositivo actual es relativamente pequeño, con sólo dos sitios donde un átomo artificial hace contacto con el cable superconductor. Sin embargo, los investigadores dicen que al hacer crecer el dispositivo y el número de interacciones o contactos, pueden incrementar la capacidad de simular situaciones más complejas –que van desde la simulación de una molécula individual hasta un material completo. En el futuro, el equipo planea construir dispositivos con cientos de sitios con la esperanza de observar fases exóticas de la luz, tales como superfluidos y aislantes.

“Hay mucho de física completamente nueva que puede realizarse con estos sistemas pequeños”, dijo James Raftery, uno de los autores del estudio. “Pero a medida que sean más grandes, podremos abordar preguntas cada vez más interesantes”.

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