Físicos crean una nueva forma de luz

Científicos del MIT y Harvard han demostrado que los fotones pueden interactuar, abriendo la puerta a un nuevo tipo de computadores e, inclusive, a sables de luz. / MIT

“Haz un experimento: lleva dos linternas a un cuarto oscuro, enciéndelas una en frente de la otra y mira qué sucede. La respuesta correcta, aunque decepcionante, es: nada. Esto sucede porque los fotones que crean la luz no interactúan entre ellos, sino que siguen su camino indiferentes”. de esta manera, el Massachusetts Institute of Technology (MIT) introduce uno de los descubrimientos más emocionantes de este año.

Científicos de esa universidad han logrado que, en lugar de que los fotones de dos fuentes de luz distintas pasen indiferentes, interactúen. Esto abriría la puerta a escenarios hasta ahora solo posibles en la ciencia ficción: sables de luz que se repelen, o una enorme cascada de luz en la que se sumerjan varias fuentes más pequeñas.

Los profesores del MIT Vladan Vuletic y Lester Wolfe se unieron al docente de la Universidad de Harvard Mikhail Lukin, para publicar un paper en la revista Science en el que documentan haber observado grupos de tres fotones interactuando y, en efecto, pegándose para formar un tipo completamente nuevo de materia fotónica.

En experimentos controlados, los científicos hicieron brillar un rayo láser débil en una densa nube de átomos de rubidio en un ambiente ultrafrío (solo una millonésima de grado sobre el cero absoluto). El ultrafrío inmoviliza a los átomos, lo que permite a los investigadores medir con precisión lo que sucede con los fotones del rayo láser una vez salen de la nube. 

Lo que sucedió fue que el rayo, en lugar de mover a la nube como un todo, excitó a fotones aleatorios que se unieron en pares o tríos, “sugiriendo que algún tipo de interacción –en este caso, atracción– estaba operando entre ellosa”, reportó el MIT. 

Adicionalmente, los investigadores también midieron la fase en la que se encontraban los fotones antes y después del experimento. La fase de un fotón indica su frecuencia de oscilación y es un indicativo de la interacción entre estas partículas.

“Entre más larga sea la fase, más fuerte es el lazo que los une” explica Aditya Venkatramani, una física de Harvard que hizo parte del estudio. El equipo vio que cuando un trío de fotones hacía mover la nube atómica al mismo tiempo, cuando salían de allí su fase era mucho más larga que cuando los fotones no interactuaban, y tres veces más grande que cuando solo interactuaban moléculas de dos fotones.

“Esto significa que estos fotones no están interactuando uno a uno, de forma independiente, sino que están interactuando entre ellos”, relata la científica. 

Vuletic, el coordinador del estudio, dijo que estos resultados prueban que es posible que los fotones se comporten como los átomos: atrayéndose o repeliéndose. “Es un sueño que ha existido por décadas”, dijo.

Y es que el descubrimiento abre la puerta a que en un futuro los ingenieros y físicos aprendan a manipular al forma cómo interactúan estas partículas elementales, permitiendo crear computadores extremadamente rápidas y capaces de realizar operaciones sumamente complejas. 

“Los fotones pueden viajar grandes distancias de forma muy rápida, y es por esto que la gente ha estado usando la luz para transmitir información, tal como sucede con la fibra óptica”, dice Vuletic. En ese sentido, “si los fotones pueden influenciarse mutuamente, si puedes unirlos –como lo hemos hecho–, puedes usarlo para distribuir información cuántica en formas interesantes y útiles”.

¿Qué podría estar causando este misterioso fenómeno?

Vladan Vuletic y Lester Wolfe llevan trabajando juntos el tema de la interacciones de fotones desde hace décadas. en 2013 lograron que dos fotones interactuaran, pero todavía no hay una explicación totalmente clara de porqué sucede este fenómeno. 

Sin embargo, el par tiene una hipótesis. “Su modelo, basado en principios físicos, plantea el siguiente escenario: mientras un único fotón se mueve a través de la nube de átomos de rubidio, aterriza brevemente en un átomo cercano antes de saltar a otro átomo, como una abeja moviéndose entre flores, hasta alcanzar el final de la nube”, dice el MIT. Este fenómeno crearía una partícula llamada polaritón: un híbrido entre átomo y fotón.

Bajo esta lógica, si otro fotón viaja al mismo tiempo a través de la nube y, a su vez creara polaritones con sus brincos, una teórica interacción entre estas partículas podría darse, gracias a su componente atómico.

Así, una vez los polaritones se encuentran en el borde de la nube, sus componentes atómicos se quedarían allí (recordemos que por las frías temperaturas no pueden moverse) mientras que los fotones quedarían unidos a su salida. Todo este proceso ocurriría en una millonésima de segundo.

“Lo que es claro de todo esto es que, cuando los fotones pasan a través de este medio que los obliga a relacionarse, cualquier cosa que sucede allí dentro se queda en su ‘memoria’, incluso cuando salen”, dice Sergio Cantu, otro de los investigadores involucrados.

El próximo paso es descubrir la forma como podrían repelerse los fotones. ¿Qué pasará? nadie lo tiene muy claro. “¿Surgirá un cristal de luz, un patrón? es un territorio desconocido”, concluyó Vuletic.