Francis en Trending Ciencia: El primer transistor óptico que conmuta con un solo fotón

Dibujo20130612 atomtronic transistor - optical transistor using BEC

El audio de mi nuevo podcast sobre Física en Trending Ciencia lo puedes escuchar siguiendo este enlace. Como siempre, una transcripción con algunas figuras.

Un transistor óptico controlado por un sólo fotón. El artículo aún sin publicar en la revista Science tiene como autora principal a la Dra. Wenlan Chen del MIT (Instituto Técnico de Massachusetts, Boston, EEUU). Este transistor está formado por un condensado de Bose-Einstein (BEC) de átomos de cesio ultrafrío. Por defecto, la luz de un láser que incide sobre el BEC lo atraviesa (estado “on”). El envío de un fotón adecuado excita el BEC de tal forma que cambia a un estado “off” y la luz láser es bloqueada. Un transistor ideal para ordenadores completamente ópticos. Nos lo ha contado Devin Powell, “Light flips transistor switch. Photons emerge as competitors to electrons in computer circuits,” Nature 498: 149, 13 Jun 2013.

Dibujo20130624 hau stops light pulse

Muchos oyentes se acordarán de la luz lenta de la doctora Lene Hau, la física danesa que en 1999 dirigió un equipo de la Universidad de Harvard (EEUU) que logró reducir la velocidad de un pulso de luz a sólo unos 17 m/s (61 km/h) y en 2001 llegó incluso a detener un pulso de luz durante unos instantes. Gracias a ello Lene Hau es un firme candidato al Premio Nobel de Física. El secreto de su logro fue propagar un pulso de luz en un condensado de Bose-Einstein hecho con átomos de sodio enfriados a casi el cero absoluto de temperaturas. Un fotón se mueve siempre a la velocidad de la luz en el vacío, pero un pulso de luz, formado por muchos fotones, se mueve a una velocidad llamada velocidad de grupo que depende del índice de refracción del medio por el que se propague. La doctora Hau aprovechó un fenómeno llamado “transparencia electromagneticamente inducida” que permite que el condensado de Bose-Einstein se vuelva transparente pero con un índice de refracción tan alto que un pulso de luz va tan lento tan lento que hasta se puede llegar a detener, como la doctora Hau demostró en 2001.

Los artículos técnicos son Lene Vestergaard Hau et al., “Light speed reduction to 17 metres per second in an ultracold atomic gas,” Nature 397: 594-598, 18 Feb 1999, y Chien Liu et al., “Observation of coherent optical information storage in an atomic medium using halted light pulses,” Nature 409, 490-493, 25 Jan 2001.

Dibujo20130624 chen proposal bec between mirrors

El control de la transparencia electromagnéticamente inducida en un condensado Bose-Einstein se realiza mediante un haz láser que contiene muchos fotones. La doctora Wenlan Chen del MIT (Instituto Técnico de Massachusetts, Boston, EEUU) logró en 2011 (como parte de su tesis doctoral) reducir el número de fotones necesario para controlar las propiedades ópticas del condensado al mínimo posible, un solo fotón. Utilizaron un condensado de Bose-Einstein de átomos de cesio encerrado dentro de una cavidad óptica formada por dos pequeños espejos. La doctora Wenlan Chen y sus colegas publicaron su logro en la revista Science, aunque sólo lograron reducir la velocidad de un pulso de luz a 1600 m/s (que parece mucho comparado con los 17 m/s logrados por la doctora Hau, pero que es muy poco comparado con los 300 millones m/s de la luz en el vacío). En las aplicaciones prácticas relacionadas con ordenadores completamente ópticos, el logro de la doctora Chen no es suficiente, había que conseguir reducir la velocidad de la luz hasta el reposo, como han logrado este año en un artículo que aparecerá en Science.

El artículo técnico es Haruka Tanji-Suzuki, Wenlan Chen, et al., “Vacuum-Induced Transparency,” Science 333: 1266-1269, 2 Sep 2011.

Dibujo20130624 transistor corte - activa - saturacion

En la CPU de tu ordenador, los transistores funcionan en modo conmutación, dejando pasar (“on”) o bloqueando (“off”) una corriente intensa de electrones gracias a una pequeña corriente de control. Un transistor tiene tres terminales, el colector, el emisor y la base. La corriente que circula de colector a emisor se controla mediante una
débil corriente de base o control. Su funcionamiento, valgan las distancias, es parecido a como funciona una gran presa presa hidráulica; de hecho, el colector actúa como un embalse lleno de electrones. Estos electrones pueden pasar al emisor, sólo si alguien abre la compuerta (la base). Cuando no entra ningún electrón por la base, el transistor está en estado de corte y no hay circulación de electrones entre el colector y el emisor, que actúan como si estuvieran aislados. El transistor actúa como amplificador cuando entran pocos electrones por la base, gracias a que la compuerta de la presa se abre en una cantidad proporcional a dicho número. Hay una corriente de electrones por la base, aunque muy pequeña, a partir de la cual la conexión entre colector y emisor es completa y todos los electrones circulan libremente de uno a otro, funcionando el transistor en modo conducción. En este sentido un transistor actúa como un conmutador o un interruptor que deja pasar o no deja pasar corriente entre los terminales de colector y emisor en función del control por parte de una señal débil en la base.

Dibujo20130624 chen proposal bec between mirrors - at work

Se publicará próximamente en Science un artículo de la doctora Wenlan Chen del MIT que nos propone un transistor óptico que deja pasar o bloquea la luz de un láser (una “corriente” intensa de fotones) gracias a un único fotón (la “corriente” más débil posible). Este transistor “óptico” está formado por un condensado de Bose-Einstein (BEC) de átomos de cesio ultrafrío. Por defecto, la luz de un láser que incide sobre el BEC lo atraviesa (estado “on”). El envío de un fotón adecuado excita el BEC (cuyos átomos se comportan de forma colectiva todos como si se tratara de un único átomo y comparte una función de onda cuántica común) de tal forma que cambia a un estado “off” y la luz láser es bloqueada. Como este dispositivo requiere técnicas de ultrafrío, su aplicación práctica en ordenadores completamente ópticos a temperatura ambiente es una utopía. Sin embargo, puede ser utilizado en metrología, para estudiar la interacción cuántica entre fotones y átomos, con aplicaciones en computación cuántica, y en otros estudios de carácter básico.

Dibujo20130704 all-optical switch and transistor gated by one stored photon

Me gustaría acabar recordar que hay otras propuestas para transistores ópticos pero ninguna de ellas funciona con un solo fotón. Cuando el artículo de la Dra. Chen se publique en Science será noticia en muchos medios, pero tú has tenido la suerte de saberlo antes que nadie gracias a Trending Ciencia.

PS (16 Ago 2013): El artículo es Wenlan Chen et al., “All-Optical Switch and Transistor Gated by One Stored Photon,” Science 341: 768-770, Aug. 16, 2013.

Escucha el audio si te apetece siguiendo este enlace.

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2 pensamientos en “Francis en Trending Ciencia: El primer transistor óptico que conmuta con un solo fotón

  1. Está muy bien el artículo, simplemente sólo indicar que haría sido mejor indicar, Gate, Source and Drain en la explicación; ya que el dominio del MosFET es incuestionable en la tecnología de IC actualmente en relación a los BJT.

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