Ciertos experimentos sugieren que la fotosíntesis utiliza efectos cuánticos para incrementar su eficiencia, pero que un sistema biológico presente efectos cuánticos parece casi imposible. Fernando Galve (Universidad de Zaragoza) y sus colegas han demostrado que el entrelazamiento cuántico se puede observar en sistemas macroscópicos fuera del equilibrio a alta temperatura. Debido al fenómeno llamado decoherencia cuántica un sistema cuántico en equilibrio termodinámico solo presenta entrelazamiento de sus estados a muy baja temperatura. Galve et al. han considerado un sistema acoplado de dos osciladores armónicos forzados paramétricamente y han mostrado que presenta entrelazamiento incluso a altas temperaturas. Aplicando sus ideas a osciladores nanomecánicos quizás pronto se demuestre el entrelazamiento a temperaturas del orden de los 100 Kelvin, temperaturas que no requieren equipos criogénicos complejos y costosos para enfriar los osciladores. Especulando un poco, las ideas de Galve et al. permiten imaginar un modelo teórico que sustente el uso de fenómenos cuánticos en sistemas biológicos, el paradigma de los sistemas fuera del equilibrio. Nos lo ha contado Vlatko Vedral, “Quantum physics: Hot entanglement,” Nature 468: 769–770, 09 December 2010, haciéndose eco del artículo técnico de Fernando Galve (CSIC-Universitat Illes Balears, Palma de Mallorca, España), Leonardo A. Pachón (Universidad Nacional de Colombia, Bogotá, Colombia), y David Zueco (CSIC-Universidad de Zaragoza, Zaragoza, España), “Bringing Entanglement to the High Temperature Limit,” Phys. Rev. Lett. 105: 180501, 25 October 2010 [gratis en ArXiv]. Resumen en inglés.
La física cuántica y el entrelazamiento cuántico se aplican en general a sistemas pequeños (microscópicos) a baja temperatura. En el entrelazamiento, dos estados de un sistema se comportan de forma indisoluble, como si fueran un solo estado. Se logra el entrelazamiento cuando dos subsistemas interaccionan entre sí fuertemente. Cuando el sistema completo está sometido a un baño térmico a cierta temperatura, el fenómeno de la decoherencia cuántica destruye el entrelazamiento entre los estados si la fuerza de interacción entre los subsistemas es más pequeña que la energía térmica que acopla el sistema al medio ambiente. Pero estas ideas teóricos solo se aplican bajo la hipótesis de equilibrio termodinámico para el sistema. Para sorpresa de muchos, Galve y sus colegas han demostrado que si el sistema no está en equilibrio térmico, la temperatura ya no proporciona la escala de energía pertinente para la interacción entre el sistema y el baño térmico que le rodea. Esta escala es determinada por una temperatura efectiva, que puede ser muy inferior a la temperatura absoluta. Para un oscilador armónico forzado, esta temperatura efectiva se obtiene multiplicando la temperatura absoluta por la velocidad a la que el sistema se aproxima al equilibrio debido a la frecuencia del forzamiento. Si esta frecuencia es más alta que el tiempo que tarda el sistema en alcanzar el equilibrio, los estados entrelazados del sistema se pueden observar a temperaturas (efectivas) mucho más altas que la temperatura (absoluta) del entorno. Aunque el trabajo es teórico, muchos equipos de físicos experimentales deben estar tratando de comprobar las ideas de Galve et al. de forma experimental, ya que las repercusiones de este descubrimiento tanto desde el punto de vista básico como aplicado pueden ser enormes.
La generación de luz supercontinua es uno de los efectos ópticos no lineales más espectaculares: la luz de un láser con un color muy preciso se vuelve blanca en un material no lineal, por ejemplo en una fibra de cristal fotónico adecuada; el espectro de la luz láser se ensancha hasta cubrir todo el espectro visible. Las aplicaciones prácticas de la luz supercontinua son muchísimas, pero todavía no existe una teoría que explique en detalle por qué ocurre. Las simulaciones numéricas indican que resulta de una combinación complicada de diferentes efectos no lineales en cascada. Daniel R. Solli (Universidad de California en Los Ángeles) y sus colegas han demostrado que es posible controlar de forma experimental la importancia relativa de estos diferentes efectos no lineales (inestabilidad de modulación, automodulación de fase y dispersión de Raman estimulada), proporcionando un control preciso de las propiedades de la luz supercontinua, como su coherencia y su ancho de banda. Además, el estudio confirma que el efecto conjunto de estos efectos no lineales es necesario. Nos lo cuenta Neil Broderick, “Optical rogue waves on demand,” Physics 3: 101, Nov. 29, 2010, siendo el artículo técnico (de acceso gratuito) D.R. Solli, B. Jalali, C. Ropers, “Seeded Supercontinuum Generation with Optical Parametric Down-Conversion,” Phys. Rev. Lett. 105: 233902, Nov. 29, 2010. Ya nos hicimos eco en este blog de otro artículo de los mismos autores en ”Supercontinuo: luz láser blanca,” 12 Diciembre 2008. Para más información en español, quisiera recordar que en España hay varios grupos de investigación especialistas en luz supercontinua; por concretar, recomiendo la tesis doctoral de Sonia Martín López (Laboratorio de Fibras Ópticas del Instituto de Física Aplicada del CSIC, IFA-CSIC), “Generación de supercontinuo en fibras ópticas monomodo con fuentes de bombeo continuo,” Universidad Complutense de Madrid, Junio 2006.
Una fibra de cristal fotónico es una fibra óptica con agujeros en su sección transversal alrededor de un núcleo central sólido. Como la diferencia entre el índice de refracción del núcleo y el índice de refracción efectivo del recubrimiento (que presenta agujeros) es muy pequeño, las fibras de cristal fotónico permiten una propagación monomodo en un amplio espectro de frecuencias (algo imposible de conseguir en fibra óptica convencional, donde el núcleo tiene un índice de refracción ligeramente mayor que el recubrimiento gracias a un dopaje apropiado). En un fibras de cristal fotónico de núcleo muy pequeño la luz está tan concentrada en el núcleo que los efectos no lineales son mucho más eficaces. La combinación de propagación monomodo en un amplio espectro de frecuencias junto a un buen número de efectos no lineales permitió observar en estas fibras la generación de luz supercontinua en el año 2000 (se inyectó luz de un láser de titanio-zafiro en modo de bombeo continuo y en el otro extremo se obtuvo luz blanca), aunque el efecto había sido predicho de forma teórica mucho antes. Tras más de un lustro de estudios teóricos y experimentales se logró entender la causa de este fenómeno: la interacción de solitones ópticos con el efecto Raman no lineal. Los solitones son ondas no lineales de luz concentrada en forma de pulso que se propagan de forma estable durante largas distancias sin dispersarse. El efecto Raman es una dispersión inelástica de un fotón con un átomo o molécula del material; a diferencia de la dispersión elástica (de Rayleigh), en la que el fotón dispersado tiene la misma energía (frecuencia) que el incidente, en la inelástica el fotón cambia de frecuencia debido a los estados de vibración, rotación o electrónicos de la molécula. Pero para que el efecto Raman actúe con eficiencia es necesario que los solitones (pulsos) inyectados en la fibra sean muy cortos y que filamenten (se descompongan) en pulsos aún más cortos. Este proceso implica otros efectos no lineales como inestabilidad de modulación y la automodulación de fase.
Las propiedades de la luz supercontinua dependen de las del pulso inicial inyectado en el material no lineal. En la mayoría de las aplicaciones se necesita que la luz supercontinua sea muy coherente (tan coherente como la luz de un láser); esta coherencia depende de la anchura del pulso inicial y para incrementar la coherencia los pulsos iniciales tienen que ser ultracortos. La razón es el modo en el que el ruido de fondo en el material es amplificado por la inestabilidad de modulación e interactúa con los solitones. Un solitón ancho se descompone en un conjunto de solitones que interaccionan mucho con el ruido de fondo gracias a la automodulación de fase. Pero un solitón ultracorto es mucho más robusta e interacciona menos con el ruido de fondo debido a la aparición de efectos no lineales de alto orden que compensan en parte estos efectos; por ello los pulsos ultracortos permiten la producción de un supercontinuo de mayor calidad, como muestran los dos vídeos de youtube que he seleccionado (que corresponden a resultados de simulaciones numéricas).
La interacción en el supercontinuo entre el ruido de fondo amplificado y el comportamiento no lineal de la señal bombeada en el medio tiene cierta similitud con la formación de “olas gigantes” (rogue waves) en el océano. En ambos casos, el resultado final depende mucho del pulso inicial (ola inicial) bombeada en el sistema. El nuevo trabajo de Solli et al. va en esta línea: un cuidadoso control de las propiedades del pulso inyectado permite controlar la interacción entre las propiedades no lineales en el medio y con ella la calidad de la luz supercontinua conseguida. Basta introducir una modulación en frecuencia en el pulso bombeado, gracias al uso de dos pulsos cortos de frecuencias próximas lanzados simultáneamente en la misma fibra de cristal fotónico, para poder controlar la semilla del ruido que se amplificará durante la aparición del supercontinuo. El método para realizar esta ”siembra” de la semilla así como realizarla de forma adecuada es la gran contribución que presentan Solli et al. en su artículo. Los resultados experimentales han sido contrastados con simulaciones numéricas (de la ecuación de Schrödinger no lineal generalizada) mostrando un gran acuerdo. Gracias a ello se pueden utilizar las simulaciones numéricas para estudiar diferentes tipos de “siembra” del supercontinuo que garanticen la máxima coherencia de los pulsos que constituyen la luz blanco obtenida. Las mejores “siembras” posibles todavía son solo teoría, ya que requieren un control de los parámetros experimentales más allá de lo que permiten las técnicas de laboratorio actuales. Sin embarto, tener un objetivo en mente de lo que hay que lograr, gracias a las simulaciones numéricas, es clave para que los físicos experimentales logren el control más fino posible de las propiedades de la luz supercontinua.
Cuando se habla de “olas gigantes” uno siempre piensa en los surfistas. Aunque la mayoría de los marineros le tienen mucho respeto (miedo) a estas olas, muy excepcionales, pero muy peligrosas, se puede especular que las técnicas para el control de la luz supercontinua permitirán por analogía física desarrollar técnicas para la producción artificial de forma controlada de ondas gigantes en piscinas de olas o incluso en el mar. Si en un futuro lejano se lograra, los surfistas estarían de enhorabuena ya que podría surfear la “ola perfecta” cada vez que quisieran. Quizás es especular mucho, pero el artículo de Solli et al. podría encontrar aplicaciones muy lejos de los laboratorios de óptica.
