Un nuevo camino hacia la “luz cuántica”

Investigadores han teorizado un nuevo mecanismo para generar “luz cuántica” de alta energía, que podría utilizarse para investigar nuevas propiedades de la materia a escala atómica.

Los investigadores, de la Universidad de Cambridge, junto con colegas de Estados Unidos, Israel y Austria, han desarrollado una teoría que describe un nuevo estado de la luz, con propiedades cuánticas controlables en una amplia gama de frecuencias, hasta frecuencias tan altas como las de los rayos X. Sus resultados se publican en la revista Nature Physics.

El mundo que observamos a nuestro alrededor puede describirse según las leyes de la física clásica, pero una vez que observamos las cosas a escala atómica, entra en juego el extraño mundo de la física cuántica. Imaginemos una pelota de baloncesto: observándola a simple vista, la pelota se comporta según las leyes de la física clásica. Pero los átomos que la componen se comportan según la física cuántica.

“La luz no es una excepción: desde la luz solar hasta las ondas de radio, la mayoría de las veces puede describirse mediante la física clásica”, explica el Dr. Andrea Pizzi, autor principal del estudio y residente en el Laboratorio Cavendish de Cambridge. “Pero a micro y nanoescala, las llamadas fluctuaciones cuánticas empiezan a desempeñar un papel y la física clásica no puede explicarlas”.

Pizzi, que actualmente trabaja en la Universidad de Harvard, colaboró con el grupo de Ido Kaminer del Instituto Tecnológico de Technion-Israel y con colegas del MIT y la Universidad de Viena para desarrollar una teoría que predice una nueva forma de controlar la naturaleza cuántica de la luz.

Una de las principales técnicas para generar luz utiliza láseres potentes. Cuando un láser lo suficientemente potente apunta a un conjunto de emisores, puede arrancar algunos electrones de los emisores y energizarlos.

“Las fluctuaciones cuánticas hacen que la luz cuántica sea más difícil de estudiar, pero también más interesante: si se manipulan correctamente, las fluctuaciones cuánticas pueden ser un recurso”, afirma Pizzi. “Controlar el estado de la luz cuántica podría permitir nuevas técnicas de microscopía y computación cuántica”.

Con el tiempo, algunos de estos electrones se recombinan con los emisores de los que fueron extraídos, y el exceso de energía que absorbieron se libera en forma de luz. Este proceso convierte la luz de entrada de baja frecuencia en una radiación de salida de alta frecuencia.

“Se ha supuesto que todos estos emisores son independientes entre sí, lo que da lugar a una luz de salida en la que las fluctuaciones cuánticas carecen de rasgos característicos“, explica Pizzi.

“Queríamos estudiar un sistema en el que los emisores no fueran independientes, sino que estuvieran correlacionados: el estado de una partícula te dice algo sobre el estado de otra. En este caso, la luz de salida empieza a comportarse de forma muy diferente, y sus fluctuaciones cuánticas se vuelven muy estructuradas, y potencialmente más útiles.”

Para resolver este tipo de problema, conocido como problema de muchos cuerpos, los investigadores utilizaron una combinación de análisis teórico y simulaciones por ordenador, en la que la luz de salida de un grupo de emisores correlacionados podía describirse utilizando la física cuántica.