En la vida cotidiana, para regular si la luz está encendida o apagada basta con accionar el interruptor. Sin embargo, cuando el espacio para la luz se reduce a unos pocos nanómetros, dominan los efectos de la mecánica cuántica y no está claro si hay luz o no. Ambas cosas pueden darse incluso al mismo tiempo, como demuestran científicos de la Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) y la Universidad de Bielefeld en la revista «Nature Physics».
«Detectar estos estados exóticos de la física cuántica en las escalas de tamaño de los transistores eléctricos podría ayudar en el desarrollo de tecnologías cuánticas ópticas de los futuros chips informáticos», explica el profesor de Würzburg Bert Hecht. Las nanoestructuras estudiadas fueron producidas en su grupo.
La tecnología de nuestro mundo digital se basa en el principio de que o fluye una corriente o no fluye: uno o cero, encendido o apagado. Existen dos estados claros. En la física cuántica, en cambio, es posible hacer caso omiso de este principio y crear una superposición arbitraria de los supuestos opuestos. Esto multiplica las posibilidades de transmitir y procesar información. Estos estados de superposición se conocen desde hace tiempo, especialmente en el caso de las partículas de luz, los llamados fotones, y se utilizan en la detección de ondas gravitacionales.
Detección de estados cuánticos
Un equipo de físicos y fisicoquímicos de Bielefeld y Würzburg ha logrado detectar estos estados de superposición de la luz directamente en una nanoestructura. La luz se capta en una nanoestructura en un espacio muy pequeño y se acopla a oscilaciones electrónicas: los llamados plasmones. Esto permite mantener la energía de la luz en la nanoescala.
En el experimento del grupo del catedrático de Würzburg Tobias Brixner, los investigadores estudiaron cuántos fotones de un pulso de luz se acoplan a la nanoestructura. El resultado: ¡ningún fotón y tres fotones simultáneamente! explica Brixner: «Detectar esta firma fue un reto enorme. Los fotones pueden detectarse muy bien con detectores sensibles; sin embargo, en el caso de los fotones individuales, que también se encuentran en un estado de superposición mecánica cuántica, no existían métodos adecuados en el nanomundo.» Además, los estados acoplados de fotones y electrones sobreviven menos de una millonésima de millonésima de segundo y luego vuelven a decaer, lo que apenas deja tiempo para su detección.
Máxima resolución espacial y temporal combinada
En los experimentos ahora publicados se utilizó una detección especial. «La energía liberada durante el decaimiento del estado es suficiente para liberar otros electrones de la nanoestructura», explica el profesor Walter Pfeiffer (Bielefeld), que desempeñó un papel clave en el desarrollo del modelo físico y la interpretación de los datos. A continuación, los electrones disparados pudieron captarse en una imagen utilizando un microscopio electrónico de fotoemisión y una resolución de unos pocos nanómetros. Debido a los rápidos tiempos de decaimiento, se utilizaron secuencias de pulsos láser ultracortos para obtener la «huella digital» de los estados de superposición de la luz.
Se trata de un primer paso hacia el objetivo de analizar el estado físico cuántico completo de fotones y electrones acoplados directamente a nanoescala. Un proceso que, como en medicina, se describe con el término tomografía. Así pues, es evidente que la luz de los despachos y laboratorios de los científicos implicados debe permanecer encendida.
