Publicado: 
27 de marzo de 2002

Domesticando ¡los Fotones!

Los investigadores han atrapado un pulso de luz dentro de una cámara de cristal -- y luego lo han soltado, intacto. Este grado de control sobre la luz podría conducir al desarrollo de asombrosas tecnologías.

NASA

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Marzo 27, 2002: La luz puede ser difícil de manipular, aunque los humanos ya han aprendido a hacerlo: Podemos crear luz (encendiendo una lámpara) y destruirla (haciéndola iluminar el negro asfalto). Podemos medirla, doblarla, y hacerla viajar más lentamente. Podemos usarla para propulsar naves espaciales, para transmitir conversaciones telefónicas, para realizar una cirugía. Lo que podemos hacer con la luz parece no tener fin...

Derecha: Fibras ópticas. © Lawrence Manning.

Hasta fechas recientes, existía algo que no podíamos hacer con la luz: detenerla. Detener la luz en su movimiento y luego soltarla de nuevo sin cambiarla, estaba más allá de las capacidades humanas.

Pero ahora, los científicos han podido averiguar cómo lograrlo.

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El año pasado, un grupo de físicos de la Universidad de Harvard hicieron brillar un rayo láser dentro de una celda de vidrio llena previamente con vapores atómicos. La luz entró, pero no volvió a salir. No fué destruida ni absorbida, sólo almacenada -- lista para resurgir intacta, cuando los científicos lo desearan.

El pulso láser medía varios kilómetros antes de entrar a la celda, aunque el pulso cupo intacto dentro de la cámara de apenas unos centímetros de ancho. ¿Suena como magia? Tal vez... pero sólo era mecánica cuántica.

La mecánica cuántica describe las extarñas reglas de la luz y la materia a escalas atómicas. En aquél mundo, la materia puede estar en dos lugares al mismo tiempo. Los objetos pueden ser partículas y ondas a la vez. Y nada es seguro -- solamente probable o improbable.

Esta improbable hazaña -- detener la luz -- fué lograda por dos equipos. Uno fué dirigido por Ron Walsworth, un físico del Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics), y otro por Lene Hau del Departamento de Física de la Universidad de Harvard (Harvard University's Department of Physics). El grupo de Walsworth usó vapores tibios de rubidio para detener el pulso láser; el grupo de Hau usó un gas de sodio superfrío para lograr el mismo efecto.

Abajo: Antes de lograr detener la luz por completo, Lene Hau y sus colegas en 1999, disminuyeron su velocidad hasta hacerla similar a la de una bicicleta . [más información]

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Los fotones -- esto es, las partículas de luz -- carecen de masa, y por eso pueden viajar tan rápido. Los investigadores de Harvard detuvieron sus rayos láser "colgándole pesos a los fotones".

La técnica requiere de dos lásers: un "láser de control" y un "láser de señal". El láser de señal es el que se detiene. Usando el láser de control, el equipo de Walsworth hizo que el gas de rubidio en la celda de vidrio se volviese "dispersivo" -- en otras palabras, la velocidad de la luz pasando a través del gas, dependía manifiestamente del color de la luz. (Los prismas trabajan de modo muy similar, aunque la analogía no es exacta). En este tipo de gas dispersivo, los átomos y los fotones interactúan enérgicamente, dice Walsworth. "Al ser arrastrados de manera efectiva por las fuertes interacciones con los átomos, los fotones se vuelven lentos". Los físicos llaman a este tipo de sistemas átomo-fotón, un "polaritón" (polariton en inglés).

A continuación, los científicos redujeron la intensidad del láser de señal hasta que el polaritón fué 100% atómico. De repente, ya no aparecían fotones en la cámara. Sin embargo, la huella de los fotones permaneció -- en los propios átomos. Como un trompo para niños, los átomos giran ("spin" en inglés). Los físicos dicen que los átomos "poseen momento angular". La información que describe el láser que desaparece fué almacenada, como un código, en los patrones de arriba-y-abajo de los ejes de giro de los átomos.

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Arriba:  Conforme el pulso láser entra a la cámara que contiene al vapor de rubidio, la información que define la luz queda impresa en los estados de giro (spin) de los átomos (indicados por las pequeñas flechas). En el momento en que la luz es "detenida", solamente existen los estados de giro. Esta imagen de Tony Phillips está basada en otra del Instituto Americano de Física (American Institute of Physics).

Liberar el pulso almacenado es fácil: otro rayo láser dirigido a través de la cámara puede liberarlo. "En un futuro próximo, esta técnica podría permitir el registro reversible de información cuántica entre átomos y luz de manera eficiente", dice Walsworth.

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Las posibilidades son increíbles: "supongamos que tenemos alguna información codificada en átomos", dice Walsworth. "Podríamos mapear tal información en forma de luz, enviarla a otro grupo de átomos, e imprimir la información ahí". Walsworth llama a esto "comunicación cuántica".

Right: Ron Walsworth, Centro Harvard de Astrofísica (Harvard Center for Astrophysics).

La comunicación cuántica podría algún día ser usada para enviar mensajes ultrasecretos. Una de las características quintaesenciales del mundo cuántico es que cuando observamos un sistema, de hecho alteramos las propiedades de dicho sistema. En otras palabras, sería imposible "tocar" un mensaje cuántico sin dejar marcada una "huella digital".

"Por esta razón, no hay manera de interceptar mensajes, romper el código y reenviarlos sin que el destinatario se de cuenta de ello", dice Walsworth.

¿Suena familiar? Puede serlo para los fanáticos de la serie Viaje a las Estrellas (Star Trek). Cada vez que el Capitán Kirk usa su transportador para visitar un planeta extraterrestre, los átomos distantes son re-ordenados por un rayo de algo parecido a una luz que hace coincidir el patrón molecular de su cuerpo para regresarlo a bordo de la nave Enterprise -- un exagerado ejemplo de "comunicación cuántica". Los transportadores de Viaje a las Estrellas permanecerán como ficción aún por mucho tiempo, dicen los científicos. Aún así, detener la luz podría ser un pequeño primer paso hacia este fin.

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En un futuro próximo, estas técnicas podrían adelantar la llegada de una nueva y fantástica forma de computación llamada "computación cuántica". Las computadoras cuánticas del futuro podrían almacenar datos y hacer cálculos manipulando los estados cuánticos (como el giro) de los átomos individuales. Debido al enorme número de átomos que existe, aún en una cantidad ínfima de materia, las computadoras cuánticas podrían tener una potencia inimaginable.

Izquierda: Una caprichosa ilustración de los qubits, (bitios cuánticos). Cortesía del Centro de Computación Cuántica (Centre for Quantum Computation).

Las computadoras hacen su trabajo usando números binarios -- esto es, unos y ceros. Tales unidades llamadas "bitios", se hallan en constante movimiento dentro de la computadora personal sobre su escritorio. En una computadora cuántica, los bitios -- llamados qubits -- podrían ser transportados de un lugar a otro por fotones. La polarización horizontal, por ejemplo, podría representar "0" y la polarización vertical, "1". (Y no acaba aquí: los qubits pueden ser 0,1 o una superposición de los dos -- ¡es permitido por la física cuántica! Los qubits son herramientas naturales para la "lógica confusa"), (fuzzy logic en inglés).

Esta clase de computadora funcionaría solamente en caso de que hubiera una manera de detener la luz, cambiar su estado, y re-enviarla. El equipo de Walsworth ha demostrado que esta secuencia puede obtenerse: mientras un pulso de luz era impreso en los átomos de rubidio, ellos hicieron un cambio simple en los estados cuánticos de los átomos. Para deleite de los investigadores, el cambio estaba presente en el pulso regenerado de luz.

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Walsworth y Hau usaron vapores (de rubidio y sodio) para detener la luz. ¿Serán las computadoras del futuro también vaporosas?

Derecha: Supercomputadora. © Roger Ressmeyer.

No necesariamente: un grupo dirigido por Phillip Hemmer de la Base Hanscom de la Fuerza Aérea (Hanscom Air Force Base) -- quien está ahora en la Universidad A&M de Texas (Texas A&M University), ha demostrado que la luz puede ser detenida también por sólidos. Ellos usaron un aislante mezclado con una tierra rara (se les llama tierras raras a un grupo de elementos de la tabla periódica) -- un tipo de material generalmente usado en la producción de procesadores y memorias ópticas de ultra-alta densidad.

"Es muy agradable pensar que funciona también en un estado sólido, lo cual nos acerca más a la electrónica que conocemos", dice Walsworth.

En un mundo extraño y nuevo, donde los científicos pueden detener la luz, almacenarla y luego soltarla cuando lo deseen -- lo familiar nos ofrece más confianza.

Las investigaciones actuales de Walsworth son apoyadas parcialmente por la NASA.

Enlaces a la Red (en inglés)

La Oficina de Investigaciones Físicas y Biológicas (Office of Biological & Physical Research) de la NASA -- apoya investigaciones relacionadas con problemas fundamentales de la física.

Detenga ese Rayo de Luz -- artículo de la revista Actualización en Ciencias Naturales (Nature Science Update) sobre las investigaciones de Lene Hau.

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La Luz se Mantiene Detenida en Nubes de Átomos -- Artículo de la revista Noticias de Ciencia (Science News) sobre la investigación de la detención de la luz.

¡Al fin! La Luz es Detenida -- una detallada descripción del experimento de detención de la luz, del Boletín de Noticias de Física de la AIP (AIP Bulletin of Physics News).

Luz Congelada: La punta del Iceberg -- un detallado artículo semi-técnico de la revista Noticias en Internet de la APS (APS News Online).

Derecha:  El equipo científico de Lene Hau logró detener la luz en átomos de sodio enfriados hasta una temperatura cercana al cero absoluto (-273°C ó -460°F). En la fotografía, Hau se encuentra arriba a la izquierda, junto con los miembros del equipo Zac Dutton y Cyrus Behroozi. 

El Grupo de Walsworth -- en el Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics).

Portales: Ronald Walsworth -- Lene Hau.

Centro de Computación Cuántica -- aprenda lo básico sobre computación cuántica, adecuado tanto para expertos como para principiantes.

La Ciencia del Viaje a las Estrellas -- ¿Son los rayos transportadores realmente posibles? Vea también "Donde los Hechos se Mezclan con la Ficción."