Las partículas de luz normalmente no se "sienten" entre sí porque no hay interacción actuando entre ellas. Los investigadores de ETH ahora han logrado manipular fotones dentro de un material semiconductor de tal manera que, no obstante, se repelen entre sí.

Dos haces de luz que se cruzan no se desvían entre sí. Eso es porque, según las leyes de la física cuántica, no hay interacción entre las partículas de luz o los fotones. Por lo tanto, en una colisión, dos fotones simplemente se atraviesan en lugar de rebotar entre sí, a menos que uno los ayude de alguna manera. De hecho, Los investigadores han intentado durante bastante tiempo encontrar técnicas para hacer que los fotones se "sientan" entre sí. La esperanza es que esto dé lugar a muchas nuevas posibilidades para la investigación, así como para aplicaciones prácticas. Ataç Imamoğlu, profesor del Instituto de Electrónica Cuántica de ETH en Zúrich, y sus colaboradores han dado ahora un paso importante hacia la realización de fotones que interactúan fuertemente. Los resultados de su investigación se publicaron recientemente en la revista científica Materiales de la naturaleza .

Transformación en polaritones

"Los fotones que interactúan fuertemente son algo así como un Santo Grial en nuestro campo de investigación, fotónica ", explica Aymeric Delteil, que trabaja como postdoctorado en el laboratorio de Imamoğlu. Para hacer que las partículas de luz se repelan entre sí, él y sus colegas tienen que llegar hasta cierto punto, aunque. Usando una fibra óptica, envían pulsos de láser cortos a un resonador óptico, dentro del cual la luz se enfoca fuertemente y finalmente golpea un material semiconductor. Ese material (producido por los colegas de Imamoğlu en Würzburg y St. Andrew's en Escocia) se enfría dentro de un criostato, una especie de refrigerador extremadamente potente, hasta menos 269 grados centígrados. A esas bajas temperaturas, los fotones pueden combinarse con excitaciones electrónicas del material. Esa combinación da como resultado los llamados polaritones. En el extremo opuesto del material, los polaritones se vuelven fotones nuevamente, que luego puede salir del resonador.

Como hay fuerzas electromagnéticas que actúan entre las excitaciones electrónicas, también surge una interacción entre los polaritones. "Ya pudimos detectar ese fenómeno hace un tiempo", dice Imamoğlu. "Sin embargo, En ese momento, el efecto era tan débil que solo las interacciones entre un gran número de polaritones jugaron un papel, pero no la repulsión por pares entre polaritones individuales ".

Interacciones de señal de correlaciones

En su nuevo experimento, los investigadores ahora pudieron demostrar que polaritones individuales, y por lo tanto, indirectamente, los fotones contenidos en ellos - pueden, Por supuesto, Interactuar el uno con el otro. Esto se puede inferir de la forma en que los fotones que salen del resonador se correlacionan entre sí. Para revelar las llamadas correlaciones cuánticas, uno mide la probabilidad de que un segundo fotón abandone el resonador poco después de otro. Si los fotones se interponen entre sí a través de sus polaritones dentro del semiconductor, esa probabilidad será menor de lo que cabría esperar de los fotones que no interactúan.

En el caso extremo, incluso debería haber un "bloqueo de fotones", un efecto que Imamoğlu ya postuló hace 20 años. Un fotón en el semiconductor que ha creado un polaritón evita por completo que un segundo fotón entre en el material y se convierta en un polaritón. "Estamos bastante lejos de darnos cuenta de esto", Imamoğlu admite, "pero mientras tanto hemos mejorado aún más nuestro resultado que se acaba de publicar. Esto significa que estamos en el camino correcto". El objetivo a largo plazo de Imamoğlu es hacer que los fotones interactúen tan fuertemente entre sí que comiencen a comportarse como fermiones, como partículas cuánticas, en otras palabras, que nunca se puede encontrar en el mismo lugar.

Interés en polaritones que interactúan fuertemente

En la primera instancia, Imamoğlu no está interesado en aplicaciones. "Esa es una investigación realmente básica, ", dice." Pero esperamos poder, Un día, crear polaritones que interactúen con tanta fuerza que podamos usarlos para estudiar nuevos efectos en física cuántica que son difíciles de observar de otra manera ". El físico está particularmente interesado en situaciones en las que los polaritones también están en contacto con su entorno e intercambian energía con él . Ese intercambio de energía, combinado con las interacciones entre los polaritones, deberían, según cálculos de físicos teóricos. conducen a fenómenos para los que hasta ahora sólo hay explicaciones rudimentarias. Experimentos como los llevados a cabo por Imamoğlu podrían, por lo tanto, ayudar a comprender mejor los modelos teóricos.