Los investigadores han teorizado un nuevo mecanismo para generar «luz cuántica» de alta energía, que podría usarse para investigar nuevas propiedades de la materia a escala atómica.
Los investigadores, de la Universidad de Cambridge, junto con colegas de EE. UU., Israel y Austria, desarrollaron una teoría que describe un nuevo estado de la luz, que tiene propiedades cuánticas controlables en una amplia gama de frecuencias, tan altas como las frecuencias de rayos X. . Sus resultados se publican en la revista Física de la naturaleza.
El mundo que observamos a nuestro alrededor se puede describir de acuerdo con las leyes de la física clásica, pero una vez que observamos las cosas a escala atómica, el extraño mundo de la física cuántica toma el control. Imagina una pelota de baloncesto: observándola a simple vista, la pelota de baloncesto se comporta según las leyes de la física clásica. Pero los átomos que componen la pelota de baloncesto se comportan de acuerdo con la física cuántica.
«La luz no es una excepción: desde la luz solar hasta las ondas de radio, se puede describir principalmente utilizando la física clásica», dijo el autor principal, el Dr. Andrea Pizzi, quien llevó a cabo la investigación mientras trabajaba en el Laboratorio Cavendish de Cambridge. «Pero a escala micro y nanométrica, las llamadas fluctuaciones cuánticas comienzan a desempeñar un papel y la física clásica no puede explicarlas».
Pizzi, que actualmente trabaja en la Universidad de Harvard, trabajó con el grupo de Ido Kaminer en el Technion-Israel Institute of Technology y 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.
«Las fluctuaciones cuánticas hacen que la luz cuántica sea más difícil de estudiar, pero también más interesante: si se diseñan correctamente, las fluctuaciones cuánticas pueden ser un recurso», dijo Pizzi. «Controlar el estado de la luz cuántica podría permitir nuevas técnicas en microscopía y computación cuántica».
Una de las principales técnicas para generar luz utiliza láseres potentes. Cuando se apunta un láser lo suficientemente fuerte a un conjunto de emisores, puede arrancar algunos electrones de los emisores y energizarlos. Eventualmente, 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.
«La suposición ha sido que todos estos emisores son independientes entre sí, lo que da como resultado una luz de salida en la que las fluctuaciones cuánticas son bastante monótonas», dijo 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 comienza a comportarse de manera muy diferente y sus fluctuaciones cuánticas se vuelven altamente estructuradas. , y potencialmente más útil».
Para resolver este tipo de problema, conocido como problema de muchos cuerpos, los investigadores utilizaron una combinación de análisis teórico y simulaciones por computadora, donde la luz de salida de un grupo de emisores correlacionados podría describirse utilizando la física cuántica.
La teoría, cuyo desarrollo fue dirigido por Pizzi y Alexey Gorlach del Technion, demuestra que la luz cuántica controlable puede generarse mediante emisores correlacionados con un láser potente. El método genera luz de salida de alta energía y podría usarse para diseñar la estructura óptica cuántica de los rayos X.
«Trabajamos durante meses para que las ecuaciones fueran cada vez más claras, hasta que llegamos al punto en el que podíamos describir la conexión entre la luz de salida y las correlaciones de entrada con una sola ecuación compacta. Como físico, lo encuentro hermoso», dijo. Pizzi. «De cara al futuro, nos gustaría colaborar con los experimentadores para proporcionar una validación de nuestras predicciones. En el lado teórico de las cosas, nuestro trabajo sugiere sistemas de muchos cuerpos como un recurso para generar luz cuántica, un concepto que queremos investigar más ampliamente. , más allá de la configuración considerada en este trabajo».
La investigación fue financiada en parte por la Royal Society. Andrea Pizzi es investigadora junior en el Trinity College de Cambridge.
