Un láser de Josephson capaz de emitir un solo par de Cooper

Los pares de Cooper en un superconductor son parejas de electrones que se comportan como bosones; el estado superconductor es un condensado de Bose-Einstein de los pares de Cooper. Como son bosones, se puede diseñar un láser de pares de Cooper, llamado láser Josephson. Lei Chen (Universidad de Darmouth, Hanover, New Hampshire, EEUU) y sus colegas han logrado fabricar un láser de Josephson capaz de emitir un solo par de Cooper. Una fuente de pares de Cooper  uno a uno. Un láser Josephson se basa en introducir un transistor de pares de Cooper (CPT) en una cavidad resonante (CPW), donde los pares de Cooper pueden interaccionar con fotones de forma coherente. El CPT tiene dos estados, |0> que corresponden al estado fundamental de los pares de Cooper y |1> que es el estado excitado con un solo par de Cooper. Cuando se ajusta la frecuencia de resonancia de la cavidad óptica de forma adecuada, el acoplo entre fotones y pares de Cooper conduce a la emisión de forma periódica pares de Cooper individuales mediante la transición |1> → |0>. El nuevo láser promete aplicaciones fotónicas, como la generación de fotones de incertidumbre mínima en amplitud (llamados «comprimidos» o squeezed) y para el estudio básico de la dinámica cuántica de los sistemas no lineales. El artículo técnico es Fei Chen et al., «A Single-Cooper-Pair Josephson Laser,» arXiv:1311.2042 [cond-mat.supr-con], 08 Nov 2013.

Francis en @TrendingCiencia: El levitón que transporta un electrón individual en un conductor

Puedes escuchar mi nuevo podcast sobre Física para Trending Ciencia siguiendo este enlace. He elegido un artículo aparecido en la revista Nature el pasado 31 de octubre titulado «Minimal-excitation states for electron quantum optics using levitons» («estados de excitación mínima para la óptica cuántica de electrones usando levitones») cuyo autor principal es Christian Glattli, del Grupo de Nanoelectrónica del IRAMIS, en el centro CEA de Saclay, Francia, centro que pertenece al CNRS Francés, y la primera autora es Julie Dubois. El artículo presenta la observación experimental de un nuevo tipo de onda solitaria o solitón bautizada como «levitón». Los levitones son cuasipartículas formados por un número entero de electrones y se pueden usar para transportar electrones individuales a través de un conductor, es decir, actúan como fuentes de electrones individuales bajo demanda, lo que les hace tener múltiples aplicaciones en nanoelectrónica cuántica.

Por cierto, en el título del artículo técnico se habla de óptica cuántica de electrones, que también se traduce por óptica cuántica electrónica, quizás te preguntes qué es: se trata de usar técnicas con electrones en materiales conductores que están inspiradas en la óptica cuántica. Pero vayamos al grano, ¿qué son los levitones? Y lo más importante, ¿cómo han sido observados?

El nuevo artículo técnico es J. Dubois et al., «Minimal-excitation states for electron quantum optics using levitons,» Nature 502: 659–663, 31 Oct 2013. El podcast también está inspirado en Christian Flindt, «Quantum physics: Single electrons pop out of the Fermi sea,» News & Views, Nature 502: 630–632, 31 Oct 2013. Para los francófonos «Les lévitons : des électrons sans bruit pour l’optique quantique électronique,» IRAMIS, CEA Saclay, 29 Oct 2013.

Análogo óptico de laboratorio a una lente gravitacional

La teoría de la relatividad general predice el efecto de lente gravitacional, la curvatura de la luz en la proximidad de un objeto estelar masivo. C. Sheng (Univ. Nanjing, China) y sus colegas han usado una guía de ondas óptica microestructurada alrededor de una microesfera para imitar el espaciotiempo curvo causado por la gravedad y su efecto como lente gravitacional sobre la luz. La microesfera está incrustada en un polímero PMMA que actúa como guía de ondas plana y distorsiona el índice de refracción efectivo de la guía, imitando la curvatura del espaciotiempo. Un modelo de «juguete» (toy model) para estudiar en laboratorio las lentes gravitacionales descritas por la relatividad general. El artículo técnico es C. Sheng et al., «Trapping light by mimicking gravitational lensing,» Nature Photonics, AOP 29 Sep 2013. Recomiendo leer a Ulf Leonhardt, «Transformation optics: Gravitational lens on a chip,» Nature Photonics, AOP 20 Oct 2013.

Soluciones exactas de las ecuaciones de Maxwell en forma de nudos de luz

En 1989 Antonio Fernández Rañada (Univ. Complutense, Madrid) introdujo una solución tridimensional de las ecuaciones de Maxwell con la topología de un nudo, a la que llamó hopfión (porque se inspiró en el fibrado de Hopf), que en 2008 se demostró de forma experimental. Hridesh Kedia (Universidad de Chicago, Illinois, EEUU) y sus colegas, entre ellos el español Daniel Peralta-Salas (contratado Ramón y Cajal en el Instituto de Ciencias Matemáticas, CSIC, Madrid), han encontrado una familia de soluciones exactas de las ecuaciones de Maxwell en forma de nudos tipo trébol (tres lazos), con cinco lazos e incluso más. Estas soluciones para un campo electromagnético clásico son de tipo campo nulo, porque los dos invariantes de las ecuaciones de Maxwell tienen valor nulo (en concreto, en todo punto el campo eléctrico es ortogonal (perpendicular) al magnético y ambos campos tienen idéntico módulo). La nueva familia de soluciones tipo nudo es estable y permite formar cadenas de nudos enlazados unos con otros. Todavía no se han verificado de forma experimental en laboratorio, pero nada parece impedir que sea posible (utilizando alguna variante de la técnica utilizada en 2008 para producir el hopfión). El artículo técnico es Hridesh Kedia, Iwo Bialynicki-Birula, Daniel Peralta-Salas, William T. M. Irvine, «Tying Knots in Light Fields,» Phys. Rev. Lett. 111: 150404, 10 Oct 2013. El artículo que introdujo el hopfión es Antonio Fernández Rañada, «A topological theory of the electromagnetic field,» Letters in Mathematical Physics 18: 97-106, Aug. 1989, y el que lo observó en laboratorio es William T. M. Irvine, Dirk Bouwmeester, «Linked and knotted beams of light,» Nature Physics 4: 716-720, Aug. 2008.

Francis en ¡Eureka!: Nanocristales para ventanas inteligentes

Ayer se inició la nueva temporada de mi sección ¡Eureka! en La Rosa de los Vientos, Onda Cero. Puedes escuchar el audio siguiendo este enlace. Como siempre, una transcripción y algunos enlaces para profundizar.

Muchos jóvenes científicos españoles se ven obligados a emigrar en el mejor momento de sus carreras y están logrando grandes éxitos fuera de España. La noticia de hoy es sobre una joven catalana que emigró a EEUU. Anna Llordés realizó su tesis doctoral en nanocristales en el Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona, que pertenece al CSIC, y la defendió en el año 2010 en la Universidad Autónoma de Barcelona. Tras la tesis emigró a EEUU, como postdoc en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley en California. Al final, desde mayo de 2013, está contratada allí como investigadora, pero mantiene colaboraciones con sus compañeros españoles en el campo de los nanocristales, como Jaume Gázquez. Ha sido noticia que su último artículo sobre la aplicación de los nanocristales a ventanas inteligentes ha llegado a portada de la prestigiosa revista Nature, quizás la más prestigiosa del mundo. Un logro que pocos españoles han conseguido.

Más información en «Nuevo material electrocromático para ventanas inteligentes,» 22 Ago 2013. El artículo técnico es Anna Llordés, Guillermo Garcia, Jaume Gazquez, Delia J. Milliron, “Tunable near-infrared and visible-light transmittance in nanocrystal-in-glass composites,” Nature 500: 323–326, 15 Aug 2013. Más información en español en «Ventanas inteligentes con nanocristales permiten regular luz y calor,» ALT1040, que incluye un vídeo promocional en inglés de la empresa.

Cómo medir la velocidad de un objeto móvil ultralento

El cartomago argentino René Lavand siempre repite que «no se puede hacer más lento.» El efecto Doppler permite medir de forma remota la velocidad de un cuerpo en movimiento gracias a la luz que refleja (es lo que hacen las pistola de radar de la policía), pero para un cuerpo ultralento el cambio en frecuencia es minúsculo. Se publica en Optics Letters un método capaz de medir una velocidad de una billonésima de metro por segundo, al detectar corrimientos Doppler menores de 1 µHz con un tiempo de integración de sólo un segundo. El secreto es combinar un «medio de luz lenta» (usan un cristal líquido) y un interferómetro. La luz de un láser se separa en dos haces, uno que incide en el medio de luz lenta y otro que se refleja en el objeto móvil para luego entrar en dicho medio; comparando la frecuencia de ambos haces de luz una vez fuera del medio se logra medir su diferencia en frecuencia con gran precisión. El artículo técnico es Umberto Bortolozzo, Stefania Residori, John C. Howell, «Precision Doppler measurements with steep dispersion,» Optics Letters 38: 3107-3110, 2013. Más información en Angela Stark, Lyndsay Meyer, «Researchers Slow Light to a Crawl in Liquid Crystal Matrix,» OSA News, Aug 13, 2013.

En el 31 cumpleaños del CD, un repaso a su evolución hasta el Blu-ray

El Compact Disc (CD) ha cumplido 31 años. Luis Quevedo ‏(@luis_quevedo) nos lo recordó con un tuit: «el 31 de agosto de 1982, se anunciaba en Tokyo el lanzamiento del primer sistema de CD por parte de Sony, CBS/Sony, Philips y Polygram.» Acompañó su tuit con esta figura (fuente original) que muestra la evolución de la tecnología de almacenamiento óptico de datos desde el CD de música hasta el Blu-Ray, pasando por el DVD y HD DVD. La figura ofrece mucha información, como el cambio de la frecuencia (color) del láser, la distancia entre pistas, el tamaño de los pits (marcas que representan los bits) y el diámetro del punto de luz sobre la pista de datos. Le prometí a Luis una explicación de la figura y toda promesa es una deuda. Por cierto, la primera vez que me enteré de la física del CD fue en el artículo de John A Cope, «The physics of the compact disc,» Physics Education 28: 15-21, 1993. En aquella época yo pasaba muchas horas en la hemeroteca todas las semanas. Algunas figuras de esta entrada están extraídas del «White Paper Blu-ray Disc™ Format General,» 3rd Edition, December, 2012.

Nuevo material electrocromático para ventanas inteligentes

Se llaman ventanas «inteligentes» a las que tienen un vidrio que absorbe de forma selectiva la luz visible y el infrarrojo cercano cuando se le aplica un voltaje, cambiando su grado de transparencia a la luz y al calor exterior. Estas ventanas inteligentes permiten reducir la demanda energética de un edificio (en iluminación y climatización). Jaume Gazquez (ICMAB-CSIC, Univ. Aut. Barcelona) y varios colegas de la Univ. California en Berkeley publican en Nature un nuevo material electrocrómico compuesto de nanocristales de óxido de indio y estaño (ITO) incrustados en un vidrio de óxido de niobio. Una de las ventajas más interesantes del nuevo material es que permite un control separado de la absorción de luz en el visible y en el infrarrojo cercano, es decir, en una ventana inteligente se podrán controlar de forma separada e independiente la transparencia óptica y térmica. El rendimiento del nuevo material es mucho mejor de lo esperado, aunque hay resolver algunas cuestiones técnicas antes de que este nuevo material pueda ser usado en ventanas en nuestras viviendas (hay que seleccionar mejores materiales para los electrodos y conviene usar un electrolito sólido en lugar de líquido). Aún así, se trata de un trabajo muy prometedor. Nos lo cuenta Brian A. Korgel, «Materials science: Composite for smarter windows,» Nature 500: 278–279, 15 Aug 2013, que se hace eco del artículo técnico de Anna Llordés, Guillermo Garcia, Jaume Gazquez, Delia J. Milliron, «Tunable near-infrared and visible-light transmittance in nanocrystal-in-glass composites,» Nature 500: 323–326, 15 Aug 2013.

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

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.

Francis en ¡Eureka!: Pinzas ópticas con luz de momento angular transversal

Ya puedes oír el audio de mi sección ¡Eureka! en el programa La Rosa de los Vientos de Onda Cero. Como siempre una transcripción libre del audio y algunos enlaces.

Muchos oyentes saben que la luz del Sol puede usarse para diseñar naves espaciales a modo de «barco de vela solar» que en lugar del empuje del viento usan el empuje de la luz del Sol. La luz puede ejercer una fuerza sobre el objeto en el que incide. Según la mecánica cuántica, la luz es un chorro de partículas llamadas fotones. Estas partículas tienen energía y momento lineal, por ello cuando chocan contra un objeto lo empujan. Un objeto iluminado experimenta un retroceso, pero esta fuerza es muy pequeña, por ello en la vida diaria no lo notamos. Una vela solar consiste en una gran superficie, como la vela de un barco, formada por una lámina muy ligera en forma de espejo que es capaz de aprovechar la presión lumínica de la radiación solar para obtener impulso. Las velas solares logran una aceleración muy pequeña, pero como el empuje sobre la vela se aplica de forma continua, una sonda espacial provista de vela solar podría alcanzar velocidades muy grandes. De hecho, se ha dicho que las velas solares son la única tecnología conocida que algún día podría llevarnos a otras estrellas. Esta semana ha sido noticia algo que mucha gente no sabe, que la luz, además de momento lineal, también tiene momento angular.

El artículo técnico es Peter Banzer, Martin Neugebauer, Andrea Aiello, Christoph Marquardt, Norbert Lindlein, Thomas Bauer, Gerd Leuchs, «The photonic wheel – demonstration of a state of light with purely transverse angular momentum,» Journal of the European Optical Society, 2 May 2013. Más información en español en Pedro Donaire, «La invención de la rueda de luz,» BitNavegantes, 27 Jun 2013, que traduce a «The invention of the light wheel,» Max Planck Institute, Jun 24, 2013.