Los fonones son unidades discretas de energía vibratoria predichas por la mecánica cuántica que corresponden a oscilaciones colectivas de átomos dentro de una molécula o un cristal. Cuando tales vibraciones son producidas por la luz que interactúa con un material, la energía vibratoria se puede transferir de un lado a otro entre fonones individuales y paquetes individuales de energía luminosa, los fotones. Este proceso se llama efecto Raman.

En un nuevo estudio, el laboratorio de Christophe Galland en el Instituto de Física de EPFL ha desarrollado una técnica para medir, en tiempo real y a temperatura ambiente, la creación y destrucción de fonones individuales, abriendo interesantes posibilidades en diversos campos como la espectroscopia y las tecnologías cuánticas.

La técnica utiliza pulsos láser ultracortos, que son ráfagas de luz que duran menos de 10 ^-13 segundos (una fracción de una billonésima de segundo). Primero, uno de esos pulsos se dispara sobre un cristal de diamante para excitar un único fonón en su interior. Cuando esto pasa, un fotón asociado se crea en una nueva longitud de onda a través del efecto Raman y se observa con un detector especializado, anunciando el éxito del paso de preparación.

Segundo, interrogar al cristal y sondear el fonón recién creado, los científicos disparan otro pulso láser al diamante. Gracias a otro detector, ahora registran fotones que han reabsorbido la energía de la vibración. Estos fotones son testigos de que el fonón todavía estaba vivo, lo que significa que el cristal todavía vibraba exactamente con la misma energía.

Esto está en fuerte contradicción con nuestra intuición:estamos acostumbrados a ver que los objetos que vibran pierden su energía progresivamente con el tiempo, como una cuerda de guitarra cuyo sonido se desvanece. Pero en la mecánica cuántica esto es "todo o nada":el cristal o vibra con una energía específica o está en su estado de reposo; no se permite ningún estado intermedio. Por tanto, el decaimiento del fonón a lo largo del tiempo se observa como una disminución de la probabilidad de encontrarlo en el estado excitado en lugar de haber saltado al estado de reposo.

A través de este enfoque, los científicos pudieron reconstruir el nacimiento y la muerte de un único fonón analizando la salida de los dos detectores de fotones. "En el lenguaje de la mecánica cuántica, el acto de medir el sistema después del primer pulso crea un estado cuántico bien definido del fonón, que es probado por el segundo pulso, ", dice Christophe Galland." Por lo tanto, podemos mapear la desintegración del fonón con una resolución de tiempo muy fina cambiando el tiempo de retardo entre los pulsos de cero a unas cuantas billonésimas de segundo (10 ^-12 segundos o picosegundos) ".

La nueva técnica se puede aplicar a muchos tipos diferentes de materiales, desde cristales a granel hasta moléculas individuales. También se puede refinar para crear estados cuánticos vibratorios más exóticos, como estados entrelazados donde la energía se "deslocaliza" en dos modos vibracionales. Y todo esto se puede realizar en condiciones ambientales, destacando que los fenómenos cuánticos exóticos pueden ocurrir en nuestra vida diaria, solo necesitamos mirar muy rápido.