Los átomos pueden absorber y reemitir luz; este es un fenómeno cotidiano. Sin embargo, en la mayoría de los casos, un átomo emite una partícula de luz en todas las direcciones posibles; por lo tanto, recuperar este fotón es bastante difícil.
Un equipo de investigación de TU Wien en Viena (Austria) ha podido demostrar teóricamente que, utilizando una lente especial, se puede garantizar que un único fotón emitido por un átomo será reabsorbido por un segundo átomo. Sin embargo, este segundo átomo no solo absorbe el fotón, sino que lo devuelve directamente al primer átomo. De esa manera, los átomos se pasan el fotón entre sí con precisión milimétrica una y otra vez, como en el ping-pong.
"Si un átomo emite un fotón en algún lugar del espacio libre, la dirección de la emisión es completamente aleatoria. Esto hace prácticamente imposible que otro átomo distante vuelva a captar ese fotón", dice el profesor Stefan Rotter del Instituto de Física Teórica de la TU. Viena. "El fotón se propaga como una onda, por lo que nadie puede decir exactamente en qué dirección se mueve. Por lo tanto, es pura casualidad si la partícula de luz es reabsorbida por un segundo átomo o no."
La situación es diferente si el experimento no se lleva a cabo en un espacio libre sino en un ambiente cerrado. Algo muy similar se sabe de las llamadas galerías de susurros en acústica:si dos personas se colocan en una habitación elíptica exactamente en los puntos focales de la elipse, pueden escucharse perfectamente, incluso cuando sólo susurran en voz baja.
Las ondas sonoras se reflejan en la pared elíptica de tal manera que se encuentran exactamente donde está la segunda persona; por lo tanto, esta persona puede oír perfectamente el suave susurro.
"En principio, se podría construir algo similar para las ondas luminosas cuando se colocan dos átomos en los puntos focales de una elipse", afirma Oliver Diekmann, el primer autor de la publicación actual. "Pero en la práctica, los dos átomos tendrían que estar colocados con mucha precisión en estos puntos focales."
Por lo tanto, el equipo de investigación ideó una mejor estrategia basada en el concepto de lente ojo de pez, desarrollado por James Clerk Maxwell, el fundador de la electrodinámica clásica. La lente comprende un índice de refracción que varía espacialmente. Mientras que la luz viaja en línea recta en un medio uniforme como el aire o el agua, los rayos de luz se curvan en una lente ojo de pez de Maxwell.
"De esta manera se puede garantizar que todos los rayos que emanan de un átomo lleguen siguiendo un camino curvo al borde de la lente, a continuación se reflejen y luego lleguen al átomo objetivo siguiendo otro camino curvo", explica Oliver Diekmann. En este caso, el efecto funciona mucho más eficientemente que en una simple elipse, y las desviaciones de las posiciones ideales de los átomos son menos dañinas.
"El campo luminoso de esta lente ojo de pez de Maxwell se compone de muchos modos oscilatorios diferentes. Esto recuerda a tocar un instrumento musical en el que se generan diferentes armónicos al mismo tiempo", afirma Stefan Rotter. "Pudimos demostrar que el acoplamiento entre el átomo y estos diferentes modos de oscilación se puede adaptar de tal manera que el fotón se transfiera de un átomo al otro casi con certeza, algo muy diferente de lo que sería el caso en el espacio libre. ."
Una vez que el átomo ha absorbido el fotón, queda en un estado de mayor energía hasta que reemite el fotón al cabo de muy poco tiempo. Luego, el juego comienza de nuevo:los dos átomos intercambian roles y el fotón regresa del átomo receptor al átomo emisor original, y así sucesivamente.
El efecto se ha demostrado teóricamente, pero con la tecnología actual es posible realizar pruebas prácticas. "En la práctica, la eficiencia podría aumentarse aún más utilizando no sólo dos átomos, sino dos grupos de átomos", afirma Stefan Rotter. "El concepto podría ser un punto de partida interesante para que los sistemas de control cuántico estudien los efectos de una interacción luz-materia extremadamente fuerte".
El trabajo está publicado en la revista Physical Review Letters. .
Más información: Oliver Diekmann et al, Intercambio de excitación ultrarrápido en una lente ojo de pez de Maxwell, Cartas de revisión física (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.013602
Información de la revista: Cartas de revisión física
Proporcionado por la Universidad Tecnológica de Viena
