Los físicos crean una nueva forma de luz

Prueba un experimento rápido: toma dos linternas en una habitación oscura y bríllalas para que se crucen sus haces de luz. ¿Notaste algo peculiar? La respuesta bastante anticlimática es, probablemente no. Eso es porque los fotones individuales que componen la luz no interactúan. En cambio, simplemente se cruzan, como espíritus indiferentes en la noche.

Pero, ¿qué pasaría si las partículas de luz pudieran interactuar, atraerse y repelerse entre sí como los átomos en la materia común? Una posibilidad tentadora, aunque de ciencia ficción: sables de luz: rayos de luz que pueden tirar y empujarse unos sobre otros, lo que crea enfrentamientos épicos deslumbrantes. O, en un escenario más probable, dos haces de luz podrían encontrarse y fusionarse en una sola corriente luminosa.

En un artículo publicado hoy en la revista Science, el equipo, dirigido por Vladan Vuletic, el profesor de física Lester Wolfe en el MIT, y el profesor Mikhail Lukin de la Universidad de Harvard, informa que ha observado grupos de tres fotones interactuando y, en efecto, pegándose para formar un tipo completamente nuevo de materia fotónica.

En experimentos controlados, los investigadores encontraron que cuando brillaban un rayo láser muy débil a través de una nube densa de átomos de rubidio ultrafríos, en lugar de salir de la nube como fotones individuales, espaciados aleatoriamente, los fotones se unían en pares o trillizos, lo que sugería algún tipo de interacción, en este caso, atracción, que tiene lugar entre ellos.

Mientras que los fotones normalmente no tienen masa y viajan a 300,000 kilómetros por segundo (la velocidad de la luz), los investigadores encontraron que los fotones encuadernados en realidad adquirieron una fracción de la masa de un electrón. Estas partículas de luz recién pesadas también eran relativamente lentas, viajando aproximadamente 100.000 veces más lento que los fotones normales que no interactúan.

Vuletic dice que los resultados demuestran que los fotones pueden atraerse o enredarse entre sí. Si se les puede hacer interactuar de otras maneras, los fotones se pueden aprovechar para realizar cómputos cuánticos extremadamente rápidos e increíblemente complejos.

"La interacción de los fotones individuales ha sido un sueño muy largo durante décadas", dice Vuletic.

Los coautores de Vuletic incluyen a Qi-Yung Liang, Sergio Cantu y Travis Nicholson del MIT, Lukin y Aditya Venkatramani de Harvard, Michael Gullans y Alexey Gorshkov de la Universidad de Maryland, Jeff Thompson de la Universidad de Princeton y Cheng Ching de la Universidad de Chicago.

Vuletic y Lukin dirigen el MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms, y juntos han estado buscando formas, tanto teóricas como experimentales, para fomentar las interacciones entre los fotones. En 2013, el esfuerzo valió la pena, ya que el equipo observó pares de fotones interactuando y uniéndose por primera vez, creando un estado de materia completamente nuevo.

En su nuevo trabajo, los investigadores se preguntaron si las interacciones podrían tener lugar no solo entre dos fotones, sino más.

"Por ejemplo, puedes combinar moléculas de oxígeno para formar O2 y O3 (ozono), pero no O4, y para algunas moléculas no puedes formar ni siquiera una molécula de tres partículas", dice Vuletic. "Entonces, era una pregunta abierta: ¿puedes agregar más fotones a una molécula para hacer cosas cada vez más grandes?"

Para averiguarlo, el equipo utilizó el mismo enfoque experimental que utilizaron para observar las interacciones de dos fotones. El proceso comienza con el enfriamiento de una nube de átomos de rubidio a temperaturas ultrafrías, solo una millonésima parte de un grado por encima del cero absoluto. Al enfriar los átomos, los ralentiza hasta casi detenerlos. A través de esta nube de átomos inmovilizados, los investigadores luego brillan con un rayo láser muy débil, tan débiles, de hecho, que solo un puñado de fotones viajan a través de la nube en cualquier momento.

Luego, los investigadores miden los fotones a medida que salen del otro lado de la nube atómica. En el nuevo experimento, descubrieron que los fotones fluían como pares y trillizos, en lugar de salir de la nube a intervalos aleatorios, como fotones aislados que no tenían nada que ver entre sí.

"La fase te dice qué tan fuertemente están interactuando, y cuanto mayor es la fase, más fuertes están unidos", explica Venkatramani. El equipo observó que cuando las partículas de tres fotones salían de la nube atómica simultáneamente, su fase se desplazaba en comparación con la que tenían cuando los fotones no interactuaban, y era tres veces más grande que el desplazamiento de fase de las moléculas de dos fotones.