Los físicos del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica (MPQ) han diseñado el espejo óptico más ligero imaginable. El nuevo metamaterial está hecho de una única capa estructurada que consta de unos pocos cientos de átomos idénticos. Los átomos están dispuestos en la matriz bidimensional de una red óptica formada por rayos láser interferentes. Los resultados de la investigación son las primeras observaciones experimentales de este tipo en un nuevo campo de óptica cuántica de sublongitud de onda con átomos ordenados que ha surgido recientemente. Hasta aquí, el espejo es el único de su tipo. Los resultados se publican hoy en Naturaleza .

Generalmente, Los espejos utilizan superficies de metal muy pulidas o vidrios ópticos con recubrimiento especial para mejorar el rendimiento en pesos más pequeños. Pero los físicos de MPQ demostraron ahora por primera vez que incluso una sola capa estructurada de unos pocos cientos de átomos ya podría formar un espejo óptico. haciéndolo el más ligero imaginable. El nuevo espejo tiene solo varias decenas de nanómetros de espesor, que es mil veces más delgado que el ancho de un cabello humano. El reflejo, sin embargo, es tan fuerte que incluso podría percibirse con el ojo humano puro.

El mecanismo detrás del espejo

El espejo funciona con átomos idénticos dispuestos en una matriz bidimensional. Están ordenados en un patrón regular con un espaciado menor que la longitud de onda de transición óptica del átomo, características tanto típicas como necesarias de los metamateriales. Los metamateriales son estructuras diseñadas artificialmente con propiedades muy específicas que rara vez se encuentran de forma natural. Obtienen sus propiedades no de los materiales de los que están hechos, sino de las estructuras específicas con las que están diseñados. Las características —el patrón regular y el espaciado de sublongitud de onda— y su interacción son los dos trabajos cruciales detrás de este nuevo tipo de espejo óptico. En primer lugar, el patrón regular y el espaciado de sublongitud de onda de los átomos suprimen una dispersión difusa de la luz, agrupando el reflejo en un haz de luz unidireccional y constante. Segundo, debido a la distancia comparativamente cercana y discreta entre los átomos, un fotón entrante puede rebotar entre los átomos más de una vez antes de que se refleje. Ambos efectos, la dispersión suprimida de la luz y el rebote de los fotones, conducir a una "respuesta cooperativa mejorada al campo externo, lo que significa en este caso:una reflexión muy fuerte.

Avances en el camino hacia dispositivos cuánticos más eficientes

Con un diámetro de alrededor de siete micrones, el espejo en sí es tan pequeño que está más allá del reconocimiento visual. El aparato en el que se crea el dispositivo, sin embargo, es enorme. Totalmente a la moda con otros experimentos de óptica cuántica, cuenta con más de mil componentes ópticos individuales y pesa alrededor de dos toneladas. Por lo tanto, el material novedoso difícilmente tendría un impacto en los espejos básicos que la gente usa a diario. La influencia científica del otro lado puede ser de gran alcance.

"Los resultados son muy interesantes para nosotros. Como en los conjuntos típicos de volumen diluido, correlaciones entre átomos mediadas por fotones, que juegan un papel vital en nuestro sistema, se suelen descuidar en las teorías tradicionales de la óptica cuántica. Por otra parte, Las matrices ordenadas de átomos fabricadas mediante la carga de átomos ultrafríos en redes ópticas se utilizaron principalmente para estudiar simulaciones cuánticas de modelos de materia condensada. Pero ahora resulta ser una plataforma poderosa para estudiar también los nuevos fenómenos ópticos cuánticos, "explica Jun Rui, Investigadora postdoctoral y primera autora del artículo.

Una mayor investigación a lo largo de esta historia podría profundizar la comprensión fundamental de las teorías cuánticas de la interacción luz-materia, física de muchos cuerpos con fotones ópticos, y permitir la ingeniería de dispositivos cuánticos más eficientes.

"Se han abierto muchas oportunidades nuevas e interesantes, como un enfoque intrigante para estudiar la optomecánica cuántica, que es un campo creciente de estudio de la naturaleza cuántica de la luz con dispositivos mecánicos. O, Nuestro trabajo también podría ayudar a crear mejores memorias cuánticas o incluso a construir un espejo óptico conmutable cuántico. "añade David Wei, Investigador doctoral y segundo autor. "Ambos son avances interesantes para el procesamiento de información cuántica".