Un medio transparente a un solo fotón y opaco a un haz con muchos fotones

Los medios ópticos no lineales permiten lograr una interacción fuerte entre fotones que puede amplificar fenómenos muy débiles con aplicaciones prácticas (potenciales) muy interesantes. Peyronel et al. publican en Nature un nuevo material en el que los fotones individuales se propagan libremente, pero interaccionan tan fuertemente entre sí que si dos fotones se encuentran presentes en dicho medio uno de ellos es absorbido rápidamente. Como resultado, este medio óptico no lineal permite desarrollar dispositivos tan interesantes como conmutadores ópticos para un solo fotón, o puertas lógicas cuánticas basadas en fotones individuales. Nos lo cuenta Thad G. Walker, “Quantum optics: Strongly interacting photons,” Nature, Published online 25 July 2012, que se hace eco del artículo técnico de Thibault Peyronel et al., “Quantum nonlinear optics with single photons enabled by strongly interacting atoms,” Nature, Published online 25 July 2012. La formulación matemática de un modelo del nuevo medio no lineal aparece en la información suplementaria del artículo.

La teoría cuántica del campo electromagnético (desarrollada en 1926 por Max Born, Pascual Jordan y Werner Heisenberg) describe dicho campo como compuesto de partículas llamadas fotones (excitaciones cuánticas del campo electromagnético con una energía “cuantizada” igual a , donde h es la constante de Planck y ν es la frecuencia de la luz). Los fotones interaccionan entre sí muy débilmente, aunque lo hacen fuertemente con las partículas cargadas (como electrones y núcleos atómicos). La mayoría de los materiales presentan una respuesta óptica lineal (un haz de muchos fotones se dispersa como si cada uno de ellos se moviera sin que existieran los demás). Sin embargo, hay materiales que presentan una respuesta óptica no lineal, en los que un haz de luz muy intenso conlleva una interacción fuerte entre los propios fotones del haz. Peyronel et al . han dirigido un haz de fotones en gas atómico en un estado de superposición que permite que los fotones individuales se transformen en polaritones de Rydberg (un tipo de excitación colectiva que agrupa el estado de múltiples átomos y un solo fotón). Estos polaritones tienen la propiedad de que son opacos a otros fotones y los abserben muy fuertemente. A la salida del gas atómico, los polaritones se transforman de nuevo en un único fotón, con lo que éste actúa como un transformador de haces de fotones en fotones individuales.

Los átomos del gas tienen tres niveles de energía: el estado fundamental |g> (con un nivel de energía Eg), un estado excitado |r> (con energía Er) y un estado intermedio |e> (con energía Ee). Los fotones de frecuencia ν1 que se dirigen al gas atómico y que obedecen la ecuación de Bohr, h ν1 = Ee – Eg, son absorbidos salvo cuando incide la luz de un láser con frecuencia ν2 que cumple la condición h (ν1+ν2) = Er – Eg. Este fenómeno se llama transparencia inducida electromagnéticamente (IET) y excita de forma colectiva a los átomos del gas y al fotón en un estado llamado polaritón. Los fotones que obedcen la condición de IET se transmiten como polaritones con alta probabilidad, mientras que aquellos que la violan son absorbidos. Como resultado se ha fabricado un conmutador (o interruptor) controlado de forma completamente óptica. El diseño del gas óptico utilizado por Peyronel y sus colegas permite asegurar que un solo polaritón de Rydberg se encuentra en el medio al mismo tiempo (con una probabilidad superior al 91% de los casos). En aplicaciones prácticas interesa que esta probabilidad sea lo más cercana posible al 100%, por lo que en un futuro habrá que mejorar su diseño. Aún así, el futuro es muy prometedor para este tipo de sistemas.

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