En el mundo cuántico es imposible apagar o encender la luz

Las paradojas de la mecánica cuántica se han puesto de manifiesto en un experimento de oscilaciones óptico-electrónicas. A nanoescala, la luz contiene a la vez ningún fotón y tres fotones: está al mismo tiempo apagada y encendida.

El hecho de que la luz de nuestros espacios vitales esté encendida o apagada se puede regular en la vida cotidiana simplemente alcanzando el interruptor de la luz.

Sin embargo, cuando el espacio para la luz se reduce a unos pocos nanómetros (un nanómetro equivale a la mil millonésima parte de un metro) dominan los efectos mecánico-cuánticos y no está claro si hay luz en él o no. 

Ambos estados de la luz, encendida y apagada, pueden incluso manifestarse al mismo tiempo, han demostrado científicos de la Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) y de la Universidad de Bielefeld en un artículo publicado en la revista "Nature Physics".

"La detección de estos estados exóticos de la física cuántica en las escalas de tamaño de los transistores eléctricos podría ayudar en el desarrollo de tecnologías cuánticas ópticas de futuros chips informáticos", explica el profesor de Würzburg Bert Hecht, en un comunicado.

Dos estados

La tecnología de nuestro mundo digital se basa en el principio de que una corriente fluye o no fluye: uno o cero, encendido o apagado. Existen dos estados claros.

En física cuántica, sin embargo, es posible ignorar este principio y crear una superposición arbitraria de los supuestos opuestos. Esto aumenta muchas veces las posibilidades de transmitir y procesar información.

Tales estados de superposición de la luz se conocen desde hace algún tiempo, especialmente para las partículas de luz, los llamados fotones, y se utilizan en la detección de ondas gravitacionales.

Estados cuánticos detectados

La novedad es que un equipo de físicos y químicos de Bielefeld y Würzburg ha logrado ahora detectar estos estados de superposición de luz directamente en una nanoestructura.

La luz se captura en una nanoestructura dentro de un espacio muy pequeño y se acopla a las oscilaciones electrónicas llamadas plasmones. Esto permite que la energía de la luz se mantenga en su lugar en la nanoescala.

En el experimento, desarrollado por el grupo del profesor de Würzburg Tobias Brixner, los investigadores analizaron cuántos fotones de un pulso de luz se acoplan a la nanoestructura. El resultado: ¡a la vez ningún fotón y tres fotones!

Además, los estados acoplados de fotones y electrones sobreviven menos de una millonésima de millonésima de segundo y luego decaen de nuevo, dejando apenas tiempo para su detección.

Resolución espacial y temporal

En los nuevos experimentos, se utilizó una detección especial. “La energía liberada durante la descomposición del estado es suficiente para liberar otros electrones de la nanoestructura”, explica el profesor Walter Pfeiffer (Bielefeld).

Luego, los electrones activados pudieron capturarse en una imagen utilizando un microscopio electrónico de fotoemisión y una resolución de unos pocos nanómetros.

Debido a los rápidos tiempos de decaimiento, se utilizaron secuencias de pulsos de láser ultracortos para obtener la "huella digital" de los estados de superposición de la luz, explican los investigadores.

Primer paso

Este es un primer paso hacia el objetivo de analizar el estado físico cuántico completo de fotones y electrones acoplados directamente a nanoescala, concluyen los científicos.

Un proceso, advierten, que, como en medicina, se describe con el término tomografía.

Sin embargo, la luz en las oficinas y laboratorios de los científicos involucrados debería permanecer encendida, ironizan los autores de esta investigación.

Referencias

Detection of a plasmon-polariton quantum wave packet. Sebastian Pres et al. Nature Physics (2023). DOI:https://www.nature.com/articles/s41567-022-01912-5

Identifying the quantum fingerprint of plasmon polaritons. Nature Physics (2023). DOI:https://doi.org/10.1038/s41567-022-01925-0