Espejos superconductores de cobre cubiertos por una fina capa de niobio. Estos espejos pueden almacenar fotones de microondas hasta una décima de segundo
(Imagen: Michel Brune)
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Por primera vez, el nacimiento, la vida y la muerte de un solo fotón, una partícula de luz, se han “observado” en tiempo real.
Anteriormente, los científicos estaban restringidos a miradas momentáneas porque el simple acto de medición absorbía y destruía las delicadas partículas cuánticas.
Ahora, Serge Haroche y sus colegas de la École Normale Supérieure en París, Francia, han logrado rastrear fotones durante una vida útil promedio de 0.13 segundos, el tiempo suficiente para que un fotón viaje una décima parte del camino a la Luna.
En el corazón de su notable logro se encuentra una pequeña cavidad en forma de caja, amurallada con espejos superconductores ultrareflectantes, que se enfría a solo 0.5 ° por encima del cero absoluto (-273.15 ° C). Los fotones aparecen y desaparecen aleatoriamente dentro de la cavidad debido a pequeñas fluctuaciones de energía en el espacio que hacen que las partículas cuánticas parpadeen dentro y fuera de la existencia. Sin embargo, una vez allí, el fotón queda atrapado, rebotando miles de millones de veces entre las paredes espejadas antes de que se descomponga.
Atrapado y aniquilado
Para observar el fotón, los investigadores pasaron los átomos de rubidio a través de la cavidad, uno a la vez. Un solo átomo de rubidio no puede absorber un solo fotón, porque el fotón no es el paquete de energía correcto para impulsar el átomo de rubidio a un estado de energía diferente.
Sin embargo, el campo eléctrico del fotón cambia ligeramente los niveles de energía del átomo en una cantidad medible (una vez que el átomo ha emergido), que el equipo usó para determinar si había fotones atrapados.
“Esto no se realiza a expensas de la energía del fotón, por lo que si se detecta uno, todavía está allí para los sucesivos átomos de rubidio, lo que nos permite rastrearlo”, dice Haroche. “Una señal típica tiene una secuencia de átomos en un nivel de energía, lo que significa una cavidad vacía, interrumpida repentinamente por átomos en otro nivel de energía, señalando el nacimiento de fotones. Más tarde, un salto en la dirección opuesta señala la aniquilación de fotones “.
“Este es un logro fundamental muy importante ya que nadie ha visto un fotón por segunda vez”, dice Ferdinand Schmidt-Kaler de la Universidad de Ulm en Alemania. “También tiene implicaciones significativas para el campo en rápida evolución de la computación cuántica”.
La computación cuántica se basa en la transferencia de qubits (bits cuánticos de información) entre diferentes estados de energía para acelerar enormemente los cálculos. Según Schmidt-Kaler, los resultados demuestran que una corriente de qubits atómicos puede controlarse completamente por el estado qubit de un fotón atrapado, un logro notable, ya que tales operaciones son fundamentales para las computadoras cuánticas.
Referencia del diario: Naturaleza (vol 446, p 297)