Francis en Trending Ciencia: Logran parar pulsos de luz durante un minuto

Dibujo20130728 trending ciencia - stored ligth pattern during one minute

Ya puedes escuchar mi nuevo podcast para Trending Ciencia siguiendo este enlace. Como siempre, una transcripción, enlaces a los artículos técnicos y algunas imágenes.

He elegido como tema una noticia que Nuño Domínguez, periodista científico de esMateria.com, ha titulado como “Récord mundial: Científicos alemanes detienen la luz durante un minuto.” Nos cuenta que “en el laboratorio de física cuántica que dirige Thomas Halfmann (…) en la Universidad Técnica de Darmstadt, Alemania (…) [han paralizado] un rayo de luz durante un minuto: todo un récord mundial que casi multiplica por cuatro el anterior. El avance técnico es un importante paso hacia (…) una especie de internet [imposible de hackear] que funcione con luz y en el que los mensajes vayan [cifrados] usando fotones. Cualquier intento de interferir en esos fotones destruiría la clave o el mensaje que transportan, lo que hace que la clave sea teóricamente inexpugnable. Pero para poder enviar mensajes con fotones [hay que] construir (…) una memoria informática que los guarde [todo el tiempo que sea necesario].”

Nuño Domínguez nos cuenta esMateria.com que “la técnica de Halfmann consiste en disparar un primer rayo láser de control a un cristal opaco, lo que lo vuelve transparente. Después se dispara un segundo láser, que lleva un mensaje, en este caso una imagen. En ese momento se apaga el primer rayo láser y el mensaje queda encerrado en el cristal. Aplicando campos magnéticos Halfmann logra que los átomos del cristal retengan la luz durante un tiempo récord, [sesenta segundos], un minuto. Después se enciende el primer láser, el cristal vuelve a tornarse transparente y la luz congelada en el tiempo vuelve a correr, transmitiendo su mensaje. Por ahora no han llegado al régimen de un solo fotón que se necesita para las memorias cuánticas.”

Algunos comentarios en Twitter me han llamado la atención. Unos por creer que se ha logrado parar los fotones individuales (algo obviamente imposible por definición de fotón). Otros por creer que se ha logrado a alta temperatura, mal interpretando la frase de Nuño Domínguez en esMateria.com: “Este mismo año, otro equipo de EEUU logró el récord [anterior] al retener la luz durante 16 segundos dentro de una nube de gas a unos 273 grados bajo cero, algo que ahora ha quedado totalmente pulverizado con la Transparencia Inducida Electromagnéticamente (EIT, en inglés) usada por Halfmann.” El nuevo récord de 60 segundos se ha logrado con el cristal enfriado a 4 Kelvin, es decir, a 269 grados bajo cero. De hecho, poder aplicar la nueva técnica a pocos fotones, o incluso a un sólo fotón, con seguridad requerirá bajar la temperatura a unos micro- o nano-Kelvin. Permíteme una discusión sobre el nuevo resultado técnico de Halfmann y sus colegas, cuyo mayor interés es que se ha utilizado un cristal, un dispositivo de estado sólido, en lugar de un gas de átomos ultrafríos o un condensado de Bose-Einstein.

Dibujo20130728 experimental setup - Stopped Light and Image Storage by Electromagnetically Induced Transparency

La computación cuántica, las redes de comunicación cuántica y el tratamiento de información cuántica utilizando fotones requiere desarrollar memorias cuánticas para la luz que preserven la coherencia cuántica y el grado de entrelazamiento cuántico. Georg Heinze, Christian Hubrich y Thomas Halfmann, de la Universidad de Darmstadt, Alemania, publican en la revista Physical Review Letters un artículo que muestra una memoria óptica coherente de estado sólido capaz de almacenar un pulso de luz clásica, e incluso una imagen completa, durante más de un minuto; por ahora, el tiempo de almacenamiento de luz más largo logrado hasta la fecha.

El artículo téncico es Georg Heinze, Christian Hubrich, and Thomas Halfmann, “Stopped Light and Image Storage by Electromagnetically Induced Transparency up to the Regime of One Minute,” Phys. Rev. Lett. 111: 033601 (2013). Recomiendo leer a Hugues de Riedmatten (ICFO/ICREA, Barcelona), “Viewpoint: A Long-Term Memory for Light,” Physics 6: 80 (2013).

¿Cómo se logra detener un pulso de luz, almacenarla sin destruir su coherencia cuántica durante un largo tiempo y luego recuperarlo cuando resulte necesario? Obviamente, no se pude parar un fotón, que siempre se mueve a la velocidad de la luz en el vacío. Para lograr que un pulso de luz se mueva más lento en un cristal sólido es necesario que los fotones interaccionen con los átomos de la estructura cristalina, que los absorben y reemiten; este proceso físico da como resultado el concepto de índice de refracción del cristal. En principio, este proceso destruye la coherencia cuántica. Para evitar esta destrucción es necesario ejecutar un protocolo cuántico que transforme la coherencia cuántica de la luz en coherencias cuánticas atómicas y a la inversa. Hay varias maneras de lograrlo. En el nuevo artículo del grupo de Halfmann se ha utilizado un fenómeno físico llamado transparencia inducida electromagnéticamente (EIT), un efecto de interferencia cuántica que hace un medio opaco se vuelva transparente en una estrecha banda del espectro. La alemana Lene V. Hau (Univ. Harvard, EEUU) es firme candidata al Premio Nobel de Física junto a Stephen E. Harris (Univ. Stanford, EEUU) por haber utilizado en 1999 la transparencia inducida electromagnéticamente en un condensado de Bose-Einstein (BEC) ultrafrío para ralentizar pulsos de luz a solo 17 m/s, unos 61 km/h. La dra. hau ha logrado parar pulsos de luz y el campo de la “luz lenta” ha sido muy activo en la última década.

¿En qué consiste la transparencia inducida electromagnéticamente? El proceso es sencillo. Considera un átomo con tres estados energéticos, dos estados fundamentales, sean |g> y |s> cuyo nivel de energía es ligeramente diferente, y un estado excitado |e>. Un haz láser de control se ajusta para excitar los átomos en un estado de superposición entre los niveles |s> y |e>, es decir, para que se comporten como bits cuánticos entre esos dos niveles. Un segundo láser de entrada se utiliza para lograr la transición entre el otro nivel fundamental |g> y el nivel excitado |e>. La condición de transparencia inducida electromagnéticamente se logra cuando la diferencia entre las energías de los fotones de ambos láseres es idéntica a la diferencia de energía entre los dos niveles fundamentales |g> y |s>. Gracias a este fenómeno se produce una interferencia cuántica destructiva que reduce la probabilidad de transición entre los dos estados fundamentales y el estado excitado, lo que vuelve el medio transparente a los fotones cuya frecuencia esté ajustada de forma adecuada. Como resultado el índice de refracción reduce la velocidad de grupo de los pulsos de luz entrante hasta lograr un valor nulo, parando de forma efectiva los pulsos de luz. Una vez almacenado el pulso de luz en el cristal se puede apagar el haz láser de control con lo que los fotones se convierten en estados excitaciones de los átomos (estos estados se llaman ondas de espín). Estas ondas de espín pueden ser almacenadas en los átomos durante un tiempo similar al tiempo de coherencia que sobreviven los niveles energéticos que se comportan como un bit cuántico. Si antes de que actúe la decoherencia cuántica se activa el pulso láser de control, los fotones se reemitidos por los átomos, provocando que el pulso de luz sea recuperado.

¿Cuál puede ser el tiempo de almacenamiento de estas memorias de luz? Como la luz se almacena en coherencias atómicas, el límite está dado por la vida media de la coherencia entre los dos estados energéticos de los átomos (el tiempo que los dos estados de espín pueden permanecer en una superposición coherente). El límite para esta duración se llama tiempo de relajación de la población de espines (el tiempo promedio necesario para que un estado excitado se relaje en el estado fundamental). Pero por supuesto, en la práctica, el tiempo de almacenamiento suele ser mucho más corto. Cualquier interacción con el entorno provoca la decoherencia, por ello hay que aislar los átomos del medio ambiente todo lo que sea posible y ahí es fundamental enfriar los átomos a temperaturas muy cercanas al cero absoluto (273 grados bajo cero).

Dibujo20130728 energy levels with and without external magnetic field - Stopped Light and Image Storage by EIT

Lo más interesante del nuevo artículo de Georg Heinze, Christian Hubrich y Thomas Halfmann es que han utilizado la transparencia inducida electromagnéticamente en un cristal de estado sólido, lo que les ha permitido luchar contra la decoherencia cuántica a 4 Kelvin (269 grados bajo cero) durante unos 60 segundos. Este tiempo te puede parecer muy corto, pero la primera vez que se logró detener la luz clásica en 2001 gracias a la transparencia inducida electromagnéticamente se alcanzaron unos pocos microsegundos. Más o menos el mismo tiempo que se logró almacenar por primera vez  un sólo fotón, logro publicado en Nature en 2005 utilizando un gas de átomos de rubidio. En gases atómicos el mayor problema para incrementar la duración de la memoria de luz es el movimiento aleatorio de los átomos, lo que provoca desfases en las ondas de espín. El récord logrado este mismo año en gases atómicos de 16 segundos para pulsos clásicos se logró colocando los átomos en una red óptica que limita y reduce su movimiento.

Pero lo que tiene que quedar claro para cualquier oyente es que utilizar dispositivos de estado sólido permite un control mucho más preciso de los movimientos de los átomos. El problema es que aprovechar la transparencia inducida electromagnéticamente para parar la luz en sólidos es mucho más difícil debido a que las interacciones entre los átomo son mucho más fuertes. Más aún, almacenar fotones individuales en sólidos, es decir, preservar la coherencia cuántica de la luz es mucho más difícil y requiere utilizar tecnologías criogénicas (temperaturas cercanas al cero absoluto). Heinze y sus colegas han usado un cristal de silicato de itrio dopado con praseodimio, que permite una vida para las ondas de espín en fase de unos 100 segundos, con lo que el récord de 60 segundos podría llegar a alcanzar hasta unos 100 segundos. Sin embargo, sólo se pueden usar pulsos de luz clásicos ya que en este cristal el tiempo de decoherencia cuántica es mucho más corto (unos 500 μs). Hay maneras de superar este límite utilizando campos magnéticos externos y  pulsos de radiofrecuencia para reducir el impacto de los diversos mecanismos de decoherencia. Sin embargo, no parece que se pueda llegar a mucho más de un segundo sin nuevas innovaciones.

Dibujo20130728 Signal pulse energy and retrieved images vs storage time

El artículo Nuño Domínguez en esMateria.com nos decía que estos físicos alemanes han logrado almacenar imágenes. En realidad resulta que la memoria de pulsos de luz es multimodo y permite almacenar modos espaciales de la luz. Gracias a ellos los autores han logrado una imagen con un conjunto de rayas horizontales con unos 100 micrómetros de largo. Pero hay que tener cuidado, ya que no se puede almacenar una imagen óptica clásica cualesquiera, sólo se pueden almacenar modos ópticos. Estos modos son muy prometedores porque permiten el desarrollo de técnicas de multiplexado espacial de la información. En un futuro cuando se puedan almacenar fotones individuales que se comporten como bits cuánticos, estas técnicas de multiplexado permitirán almacenar múltiples fotones (o bits cuánticos) en diferentes lugares del cristal. Pero por ahora esto es especulación y no parece fácil que se vaya a poder lograr a corto plazo sin nuevas innovaciones técnicas en este tipo de experimentos.

El nuevo artículo ilustra sus memorias ópticas con pulsos luminosos clásicos y además tiene bastantes limitaciones en cuanto a eficiencia de almacenamiento (menor del 1%). Las aplicaciones prácticas de esta técnica y la extensión del esquema al régimen cuántico requieren superar enormes desafíos. No es una tarea fácil, peo hay muchos grupos de investigadores en todo el mundo que están trabajando en este campo. A la pregunta de si será posible lograr tiempos de almacenamiento de horas lo único que podemos decir es que utilizando los cristales de silicato de itrio dopado con praseodimio será muy difícil sino imposible superar los 100 segundos (incluso con pulsos clásicos). Quizás se pueda lograr un ligero incremento con una temperatura mucho más baja de los 4 Kelvin, pero la esperanza, en mi opinión, está en nuevos materiales de estado sólido que se puedan proponer en los próximos años capaces de lograr el almacenamiento de luz coherente durante horas. Habrá que estar al tanto de estos avances.

Lo dicho, si no has escuchado aún mi último podcast para Trending Ciencia, sigue este enlace.

Anuncios

11 pensamientos en “Francis en Trending Ciencia: Logran parar pulsos de luz durante un minuto

  1. Francis: interesantísimo, fascinante. Te ruego que consideres mi pregunta: ¿entiendo bién si interpreto que lo que está pasando en el cristal (o en el condensado de Bose) en cuyo interior está “atrapada” la luz, los fotones enganchados ahí siguen moviendose interiormente a la velocidad de la luz entre choques? Gracias

    • No, Antonio. Los fotones son absorbidos por los átomos y desaparecen. Su energía excita los átomos, que cuando decaen más tarde emiten un nuevo fotón con la misma frecuencia que los absorbidos.

  2. Muy interesante el artículo de Thomas, para mí es Thomas porque fue mi director de tesis ;). Aunque hace unos 50 años que disponemos de láseres, estamos muy lejos de entender la interacción láser-materia y todos los interesantes efectos que engloba. Técnicas como EIT, electromagnetic induced transparency, CPR, coherent population return, o STIRAP, stimulated Raman adibatic passage, solo por mencionar algunas, ofrecen posibilidades tremendamente interesantes en muchos y distintos campos, e.g., detección de trazas de isótopos y femtoquímica, aparte de dar (darme) más de un dolor de cabeza porque la interpretación de los fenómenos no resulta para nada sencilla.

    Si todo va bien estamos preparando un trabajo en interacción coherente láser-materia que va a ser la bomba. Y hasta aquí puedo leer…. ;P)

    • @ribap no seas tímido. Incluye R.I.B.A.P. (radiation induced bichromatic adiabatic passage).

      ..es que hizo la tesis en ella (y CPR) y no se quiere dar importancia

  3. ¿De qué depende el tiempo que el fotón permanece “desaparecido” entre excitación y decaimiento? Supongo que dependerá del tipo de átomo, de los enlaces y muchas más cosas.

    Lo veo tan complicado que me parece imposible que le puedan dar alguna aplicación práctica… y sin embargo sé que lo harán, aunque les lleve tiempo.

    ¿No sería posible olvidarse de condensados y de cristales y guardar el fotón en un solo átomo aislado pero con sus orbitales manipulados por campos magnéticos?

    Sería lo mismo pero usando un solo átomo, supongo que el problema viene cuando el átomo emite el fotón otra vez, que lo pierdes, estamos en las mismas.

    • Notengoniidea, el tiempo depende de muchos factores, siendo el más importante el tiempo de relajación del átomo que depende de cómo interaccionen unos átomos con otros, y cómo interacciones los múltiples electrones de la capa más externa de cada átomo. Los detalles son complicados.

      ¿Usar un sólo átomo? Atrapar un único átomo requiere interaccionar con él pero para incrementar el tiempo de relajación hay que no interaccionar con él. El tema es complicado.

  4. Bravo Francis y extraordinaria tu labor de contribución a divulgar la ciencia, pues conocerla es amarla. Esta noticia conmovió ayer a todos mis compañeros de trabajo. Te seguimos en el nuevo e interesantísimo Trending Ciencia.

  5. Y si colocan 100 dispositivos similares en serie… ¿no se lograría un delay de una hora?

    • Leo, lo siento, tu solución no funciona. El problema es que el pulso óptico se degrada (se pierden fotones, como muestra la figura que abre la entrada). Así que a la salida de dos dispositivos en serie no hay pulso.

Los comentarios están cerrados.