Logran manipular la materia con luz en tiempos extremos y avanzan hacia una nueva era de la computación cuántica

* Este contenido fue producido por expertos del Instituto Weizmann de Ciencias, uno de los centros más importantes del mundo de investigación básica multidisciplinaria en el campo de las ciencias naturales y exactas, situado en la ciudad de Rehovot, Israel.

Convertir instantáneamente un material de opaco a transparente, o de conductor a aislante, ya no es cosa de ciencia ficción. Desde hace varios años, los científicos han estado usando láseres para controlar las propiedades de la materia a velocidades extremadamente rápidas: durante un ciclo óptico de una onda de luz.

Pero debido a que estos cambios ocurren en la escala de tiempo de attosegundos (una milmillonésima de una milmillonésima de segundo), averiguar cómo se desarrollan es extremadamente difícil. En un nuevo estudio publicado en Nature Photonics, el equipo del profesor Nirit Dudovich del Instituto de Ciencias Weizmann presenta un método innovador para rastrear estos rápidos cambios materiales. Este avance en la ciencia de los attosegundos, el estudio de los fenómenos más rápidos de la naturaleza, podría tener una amplia variedad de aplicaciones futuras, allanando el camino para las comunicaciones y la computación ultrarrápidas.

Si alguna vez has visto un arcoíris, habrás presenciado una demostración práctica de cómo la luz se ralentiza y se refracta al atravesar la materia, en este caso, las gotas de lluvia. La luz solar se compone de un amplio espectro de colores, cada uno de los cuales experimenta un retraso distinto al atravesar las gotas. Estas diferencias hacen que los colores se separen, produciendo un arcoíris radiante. Solemos pensar que la materia, como el vidrio o el agua, refracta la luz siguiendo un patrón estático. Sin embargo, investigadores de los principales laboratorios ópticos del mundo han descubierto que un láser potente puede modificar las propiedades refractivas de la materia; es decir, cambiar el grado de ralentización de la luz al atravesarla, en escalas de tiempo extremadamente cortas. Investigadores del Instituto Weizmann postularon que si pudieran medir los sutiles cambios inducidos por el láser en el retraso que experimenta la luz, podrían comprender cómo los láseres potentes pueden cambiar las propiedades de la materia con tanta rapidez.

El desarrollo de este nuevo método de medición fue liderado por tres estudiantes de investigación —Omer Kneller, Chen Mor y Noa Yaffe— del laboratorio de Dudovich en el Departamento de Física de Sistemas Complejos de Weizmann. El método utiliza dos rayos láser. El primero es potente, compuesto por pulsos relativamente largos, que modifica el retardo óptico que experimenta la luz en un material determinado.

El otro emite pulsos de attosegundos extremadamente cortos y funciona como una especie de cámara de vídeo a cámara lenta. Estos pulsos de attosegundos se presentan en dos copias: una que no interactúa con el material, sirviendo de referencia, y otra que lo atraviesa, interactuando con él y registrando los retrasos de attosegundos inducidos por esta interacción. Cuando las dos copias se unen e interfieren entre sí, esta interferencia permite a los investigadores reconstruir con precisión el cambio en el retardo óptico que experimenta la luz al atravesar el material.

Quantum Waze y ordenadores ultrarrápidos

En mecánica cuántica, las propiedades de un material están determinadas por sus niveles de energía, que forman una especie de escalera energética. Los electrones pueden ascender o descender por esta escalera ganando o perdiendo la cantidad exacta de energía. Un láser potente modifica esta escalera modificando la ubicación de sus niveles; puede fusionar dos niveles en uno o dividir un nivel en dos.

Al igual que las aplicaciones de navegación como Waze pueden predecir la duración de un viaje del punto A al punto B por una ruta determinada, el nuevo método reconstruye la ruta recorrida por un electrón entre los diferentes niveles de energía midiendo el retraso experimentado por los pulsos de attosegundos. Analizar el recorrido del electrón permite a los investigadores comprender cómo cambian los niveles de energía de un material en respuesta al láser. Inicialmente, los científicos utilizaron el método para comprender cómo el láser modificaba las propiedades de átomos individuales. Sin embargo, también presentan cálculos teóricos que demuestran que su nuevo método puede utilizarse para revelar la interacción entre la luz y materiales más complejos.

“Una vez que podamos rastrear los ‘viajes’ de electrones individuales entre niveles de energía, podremos usar la luz para controlar las propiedades de un material de forma deliberada y precisa, en cientos o incluso decenas de attosegundos”, afirma Dudovich. “Esta capacidad podría conducir al desarrollo de los procesadores más rápidos posibles, lo que aumentará enormemente la velocidad de transmisión o procesamiento de datos. Nuestro nuevo método también tiene implicaciones para la investigación básica: esperamos que nos ayude a crear instantáneas de electrones en movimiento, revelando una variedad de fenómenos cuánticos previamente inaccesibles”.

Datos de referencia: La luz viaja de la Tierra a la Luna en aproximadamente 1 segundo; cruza un átomo de hidrógeno en 1 attosegundo, una milmillonésima de una milmillonésima de segundo.

También participaron en el estudio Nikolai D. Klimkin, la Prof. Olga Smirnova, el Dr. Serguei Patchkovskii y el Prof. Misha Ivanov del Max-Born-Institut, Berlín; el Dr. Michael Krueger del Technion – Instituto Tecnológico de Israel, Haifa; el Dr. Doron Azoury del MIT, Cambridge, Massachusetts; Ayelet J. Uzan-Narovlansky de la Universidad de Princeton, Princeton, Nueva Jersey; Yotam Federman y el Dr. Barry D. Bruner del Departamento de Física de Sistemas Complejos de Weizmann; y la Dra. Debobrata Rajak y el Prof. Yann Mairesse de la Universidad de Burdeos, Talence, Francia.

La investigación del profesor Nirit Dudovich cuenta con el apoyo del Laboratorio Jay Smith y Laura Rapp para la Investigación en Física de Sistemas Complejos. El profesor Dudovich ocupa la Cátedra Robin Chemers Neustein.