Científicos crean una nueva forma de materia con moléculas de luz

¿Por qué el sable de luz de Luke Skywalker en Star Wars nunca ha llegado a ser un objeto real? Porque, hasta ahora, las partículas elementales de la luz (los fotones) nunca se habían unido unas a otras como hacen los átomos para dar lugar a las moléculas que conforman la materia.

Pero quizá, algún día, podamos ver estructuras tridimensionales hechas a partir de luz, si atendemos al avance realizado por científicos de la Universidad de Harvard y del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT).

Estos investigadores han desafiado todos los conocimientos tradicionales sobre la luz, al conseguir agrupar fotones. Según ellos, esto ha supuesto la creación de un estado de la materia que, hasta la fecha, había sido sólo teórico.

El logro fue obra del profesor de física de la Universidad de Harvard, Mikhail Lukin, y del profesor de física del MIT, Vladan Vuletic, que han trabajado en colaboración con investigadores del Center for Ultracold Atoms. Sus resultados aparecen detallados en la revista Nature.

Hasta la fecha, siempre se había descrito a los fotones como partículas sin masa que no interaccionan entre sí. Por eso, si cruzamos dos haces láser, éstos, simplemente, se atravesarán el uno al otro. Pero existe una manera de hacer que la luz, al combinarse, dé lugar a “moléculas fotónicas”, han descubierto los científicos.

Según explica Lukin en un comunicado de la Universidad de Harvard divulgado por Eurekalert: "Lo que hemos logrado es crear un tipo especial de medio en el que los fotones sí interactúan entre ellos, con tanta fuerza que comienzan a funcionar como si tuvieran masa, hasta unirse para formar moléculas. Este tipo de enlace fotónico se ha discutido teóricamente durante bastante tiempo, pero hasta ahora no se había observado”.

"No es una analogía inapropiada comparar el resultado con las espadas láser", asegura Lukin, pues lo que sucede con estas moléculas fotónicas “sería similar a lo que vemos en las películas".

La sorpresa

Para conseguir que fotones sin masa se uniesen a otros fotones, Lukin y sus colaboradores generaron un entorno con condiciones extremas.

En primer lugar, bombearon átomos de rubidio‎ en una cámara de vacío, cuya baja presión permite llevar a cabo experimentos físicos. Esa nube de átomos fue a continuación enfriada con un láser, hasta que alcanzó una temperatura de unos pocos grados por encima del cero absoluto (que se corresponde con −273,15 °C aproximadamente).

Después, usando pulsos de láser extremadamente débiles, los científicos dispararon fotones aislados al interior de dicha nube. Una vez allí, la energía de cada fotón excitó a los átomos a lo largo de su trayectoria, lo que hizo que estas partículas se desaceleraran dramáticamente. Así, a medida que cada fotón se movía a través de la nube, su energía pasó de átomo en átomo, hasta salir de la nube con el propio fotón.

"Cuando el fotón abandona el medio, su identidad se conserva. Es el mismo efecto que vemos con la refracción de la luz en un vaso de agua. La luz penetra en el agua y cede parte de su energía al medio, en el que existe como luz y materia acopladas entre sí, pero cuando sale, sigue siendo luz. El proceso que tiene lugar en la nube de átomos es el mismo, sólo que un poco más extremo: la luz se desaceleró considerablemente, y cedió mucha más energía de la que se pierde en la refracción", explica Lukin.

Luego vino la sorpresa: cuando Lukin y su equipo, en lugar de disparar fotones aislados, dispararon dos fotones dentro de la nube de átomos, lo que salió de ésta no fueron los dos fotones por separado, sino los dos juntos, como una sola molécula.

¿Cómo se formaron?

Lukin señala que existe un efecto llamado “bloqueo Rydberg” que establece que cuando un átomo es excitado, los átomos cercanos no pueden ser excitados al mismo nivel. En la práctica, esto supone que, a medida que los dos fotones entran en la nube atómica, el primero excita a un átomo, pero debe avanzar antes de que el segundo fotón pueda excitar a otros átomos cercanos.

La consecuencia es que los dos fotones se empujaron y tiraron el uno del otro a través de la nube, a medida que su energía era cedida de un átomo al siguiente. Se produjo así "una interacción fotónica mediada por la interacción atómica”, lo que a su vez hizo que “los dos fotones se comportasen como una molécula y que, cuando abandonaron el medio, fueran mucho más propicios a hacerlo juntos que como fotones aislados”.

Posible aplicación en computación cuántica

Aunque este efecto es inusual, tendría algunas aplicaciones prácticas. “Nosotros hemos hecho esto por diversión y por forzar las fronteras de la ciencia, pero el hallazgo va más allá, porque los fotones siguen siendo el mejor medio posible para trasladar información cuántica. La desventaja, sin embargo, ha sido siempre que los fotones no interaccionen entre sí".

Así que este método podría ayudar a desarrollar la computación cuántica, porque para construir un ordenador cuántico es preciso desarrollar un sistema capaz de preservar la información cuántica, y de procesarla mediante operaciones lógicas cuánticas.

El reto radica en que la lógica cuántica requiere interacciones entre los cuantos individuales, de manera que los sistemas puedan llevar a cabo el procesamiento de la información. "Lo que hemos demostrado con este proceso nos permitiría hacer eso", dice Lukin.

Estructuras tridimensionales hechas de luz

Lukin sugiere, por otra parte, que este método algún día podría incluso servir para crear complejas estructuras
tridimensionales - como cristales – completamente surgidos de la luz. “Aún no sabemos la utilidad que tendrá, pero hay esperanzas de que surjan nuevas aplicaciones a medida que vayamos investigando las propiedades estas moléculas fotónicas", concluye.

Referencia bibliográfica:

Ofer Firstenberg, Thibault Peyronel, Qi-Yu Liang, Alexey V. Gorshkov, Mikhail D. Lukin, Vladan Vuletić. Attractive photons in a quantum nonlinear medium. Nature (2013). DOI: 10.1038/nature12512.