¿Cómo se detiene algo que es más rápido que cualquier otra cosa? intangible y siempre en movimiento por naturaleza? Un equipo dirigido por los físicos Dr. Thorsten Peters y el profesor Thomas Halfmann está haciendo lo que parece imposible:detener la luz durante diminutas fracciones de segundo. Luego terminan la escala con solo presionar un botón, lo que permite que el pulso de luz continúe su viaje. Los investigadores incluso están deteniendo partículas de luz individuales.

Lo que suena como un truco físico podría ser útil para aplicaciones futuras. La llamada tecnología cuántica intenta utilizar efectos extraños de la física cuántica para computadoras más rápidas, sensores más precisos y comunicaciones a prueba de errores. Fotones, que se utilizan en la tecnología cuántica como portadores de información, jugar un papel decisivo en esto.

Para tal fin, físicos, por ejemplo, requieren fuentes de luz que emitan fotones individuales con solo presionar un botón. Para procesar la información almacenada en partículas ligeras, también sería importante que los fotones individuales interactuaran, que no suelen hacer. En las futuras computadoras cuánticas, los fotones, por ejemplo, tendrán que transferir su información a los átomos y viceversa. Con este fin también la interacción entre los dos tipos de partículas debe intensificarse, que los fotones detenidos por el grupo de la TU Darmstadt podrían hacer posible.

¿Cómo funciona esta parada de emergencia para luz? Desde hace algún tiempo, es posible congelar fotones y volver a emitirlos a voluntad. Sin embargo, mientras están detenidos, los fotones no existen como tales. Son tragados por una nube atómica, que luego asume un estado llamado excitado y almacena el fotón como información. Solo al recibir una señal, la excitación vuelve a convertirse en un fotón, que luego continúa. Los investigadores de Darmstadt lo están haciendo de manera similar, pero con una diferencia crucial:sus fotones se conservan realmente.

La luz literalmente se detiene. El equipo utiliza una fibra de vidrio especial con un canal hueco en el centro con un diámetro de menos de diez milésimas de milímetro. La fibra tiene una estructura porosa alrededor del núcleo que mantiene a raya la luz. Esto hace que un rayo láser se concentre en el centro del canal hueco. Su sección transversal se reduce a alrededor de una milésima de milímetro. Los investigadores utilizan el haz de luz como una especie de trampa para los átomos. Introducen átomos de rubidio en la fibra hueca, que se concentran en el centro del rayo láser debido a fuerzas electromagnéticas. Luego, los investigadores envían los fotones que quieren detener al canal. Mas o menos, el fotón se detiene por completo mediante dos rayos láser adicionales que son guiados hacia la fibra hueca en ambos lados. Metafóricamente hablando, estos sostienen los fotones entre ellos como dos futbolistas pateando el balón de un lado a otro.

"También es similar a una cámara en la que la luz se proyecta hacia adelante y hacia atrás entre dos espejos, "como explica Thorsten Peters." Simplemente sin un espejo. "El equipo de TU es el primero en lograr ralentizar los fotones en un capilar tan estrecho de esta manera y no fue fácil. Se hace extremadamente complicado por una propiedad óptica conocida como birrefringencia El equipo pudo perfeccionar su método mediante un laborioso análisis de birrefringencia hasta el punto en que fue posible detener los fotones individuales.

Pero simplemente al detener la luz en sí, no se quedaron satisfechos. "Nuestro objetivo, "dice Peters, "era hacer que los fotones interactuaran con los átomos con más fuerza de lo que lo hacen normalmente". En particular, Debería ser posible que dos partículas ligeras interactúen con un átomo al mismo tiempo, que produciría un fenómeno útil conocido en física como óptica no lineal en el que los fotones penetran en un medio, como un cristal especial. Cuando dos fotones chocan simultáneamente con uno de los átomos del cristal, interactúan entre sí, que cambia la frecuencia, es decir., el color, de la luz. La nueva frecuencia podría, por ejemplo, ser la suma de las frecuencias de los fotones que se envían.

Existen muchas aplicaciones técnicas para tales efectos, por ejemplo en punteros láser. El método tiene una desventaja:se necesitan láseres de alta intensidad para garantizar que suficientes pares de fotones golpeen un átomo dentro del medio simultáneamente. "Con nuestro método, por otra parte, "dice Peters, "una intensidad de luz débil puede ser suficiente". Esto es posible porque los átomos están confinados en la misma área estrecha que el rayo láser dentro de la fibra hueca, maximizando así el contacto entre la luz y la nube atómica. Por lo tanto, la probabilidad de que dos fotones golpeen un átomo simultáneamente es relativamente alta incluso cuando la intensidad de la luz es baja. Entonces, el mismo truco técnico que hace posible detener los fotones también debería crear un nuevo método para la óptica no lineal.

El equipo de Darmstadt tiene más ideas sobre cómo aplicar su nuevo proceso. Uno de ellos implica una fuente conmutable para fotones individuales. Otro es crear un cristal hecho de fotones. Los cristales suelen estar formados por átomos dispuestos en una cuadrícula absolutamente regular, comparable a las esferas en capas. Una gran cantidad de fotones detenidos también podrían formar una cuadrícula ordenada. "Podríamos usar esto para simular un sólido, ", dice Peters. La física de los materiales sólidos es un campo activo de investigación. Los modelos teóricos se utilizan en la investigación para obtener una mejor comprensión de ellos, a menudo a través de simulaciones por computadora. Pero los modelos son tan complejos que rápidamente abruman a las computadoras. Los investigadores son por lo tanto, buscar otras formas de imitar los cristales. Un sólido simulado hecho de fotones sería una forma de hacerlo.

"Seguimos trabajando intensamente en esto, "dice Peters. Según el físico, la colaboración con otros grupos de investigación es fundamental para el éxito. El equipo logró el trabajo actual en colaboración con grupos de Taiwán y Bulgaria en el marco de un proyecto financiado por la UE. Los socios industriales también están involucrados en el proyecto de investigación, cuyo objetivo es desarrollar tecnologías innovadoras para la interacción de la luz con la materia. "El intercambio es muy activo, Peters se complace en decirlo. Los próximos éxitos no tardarán en llegar.