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| Crédito: Estudio Ella Maru |
Físicos de la EPFL han encontrado una forma de conseguir que los fotones interactúen con pares de átomos por primera vez. El avance es importante para el campo de la electrodinámica cuántica de cavidades (QED), un campo de vanguardia que abre el camino a las tecnologías cuánticas.
No cabe duda de que avanzamos con paso firme hacia una era de tecnologías basadas en la física cuántica. Pero para llegar allí, primero tenemos que dominar la capacidad de hacer que la luz interactúe con la materia, o más técnicamente, los fotones con los átomos.
Esto ya se ha conseguido en cierta medida, lo que ha dado lugar al campo de vanguardia de la electrodinámica cuántica de cavidades (QED), que ya se utiliza en las redes cuánticas y el procesamiento de la información cuántica. Sin embargo, aún queda mucho camino por recorrer. Las interacciones actuales entre la luz y la materia se limitan a átomos individuales, lo que limita nuestra capacidad para estudiarlas en el tipo de sistemas complejos que implican las tecnologías de base cuántica.
En un artículo publicado en Nature, los investigadores del grupo de Jean-Philippe Brantut, de la Escuela de Ciencias Básicas de la EPFL, han encontrado una forma de conseguir que los fotones se "mezclen" con pares de átomos a temperaturas ultrabajas.
Los investigadores utilizaron lo que se conoce como gas de Fermi, un estado de la materia formado por átomos que se asemeja al de los electrones en los materiales. "En ausencia de fotones, el gas puede prepararse en un estado en el que los átomos interactúan muy fuertemente entre sí, formando pares poco unidos", explica Brantut. "Cuando se envía luz al gas, algunos de estos pares pueden convertirse en moléculas unidas químicamente mediante la absorción con fotones".
Un concepto clave de este nuevo efecto es que se produce de forma "coherente", lo que significa que el fotón puede ser absorbido para convertir un par de átomos en una molécula, y luego volver a ser emitido y reabsorbido varias veces. "Esto implica que el sistema par-fotón forma un nuevo tipo de 'partícula' -técnicamente una excitación- que llamamos 'par-polaritón'", dice Brantut. "Esto es posible en nuestro sistema, donde los fotones están confinados en una 'cavidad óptica' -una caja cerrada que les obliga a interactuar fuertemente con los átomos".
Los pares de polaritones híbridos adquieren algunas de las propiedades de los fotones, lo que significa que pueden medirse con métodos ópticos. También adoptan algunas de las propiedades del gas de Fermi, como el número de pares de átomos que tenía originalmente antes de los fotones entrantes.
"Algunas de las propiedades más complejas del gas se traducen en propiedades ópticas, que pueden medirse de forma directa e incluso sin perturbar el sistema", explica Brantut. "Una aplicación futura sería en la química cuántica, ya que demostramos que algunas reacciones químicas pueden producirse de forma coherente utilizando fotones individuales".
Fuentes, créditos y referencias:
Hideki Konishi et al, Universal pair polaritons in a strongly interacting Fermi gas, Nature (2021). DOI: 10.1038/s41586-021-03731-9