En TU Wien (Viena) se ha desarrollado un dispositivo óptico a nanoescala que permite que la luz pase en una sola dirección. Consiste en átomos alcalinos que se acoplan a fibras de vidrio ultrafinas.
Si la luz puede propagarse de izquierda a derecha, también suele permitirse la dirección opuesta. Normalmente, un rayo de luz puede enviarse de regreso a su punto de origen, simplemente reflejándolo en un espejo. Los investigadores de TU Wien han desarrollado un nuevo dispositivo para romper esta regla. Como en un diodo eléctrico que permite que la corriente pase solo en una dirección, este dispositivo basado en fibra de vidrio transmite la luz solo en una dirección. La regla unidireccional se mantiene incluso si el pulso de luz que pasa a través de la fibra consta de solo unos pocos fotones. Tal calle de un solo sentido para la luz ahora se puede usar para chips ópticos y, por lo tanto, puede volverse importante para el procesamiento de señales ópticas.
Procesamiento de señal óptica en lugar de electrónica
Los elementos que permiten que la luz pase en una sola dirección se denominan "aisladores ópticos". "En principio, estos componentes existen desde hace mucho tiempo ", dice Arno Rauschenbeutel, del Centro de Viena de Ciencia y Tecnología Cuántica en el Atominstitut en TU Wien. "La mayoría de los aisladores ópticos, sin embargo, se basan en el efecto Faraday:se aplica un fuerte campo magnético a un material transparente entre dos filtros de polarización cruzada. La dirección del campo magnético determina entonces la dirección en la que se permite el paso de la luz ".
Por razones técnicas, Los dispositivos que utilizan el efecto Faraday no se pueden construir a nanoescala, un hecho desafortunado, porque esto tendría muchas aplicaciones interesantes. "Hoy dia, los investigadores buscan construir circuitos integrados ópticos, similar a sus homólogos electrónicos ", dice Rauschenbeutel. Otros métodos para romper esta simetría solo funcionan a intensidades muy altas. Pero en nanotecnología, un objetivo final es trabajar con señales de luz extremadamente débiles, que incluso puede consistir en fotones individuales.
Fibras de vidrio y átomos
El equipo de Arno Rauschenbeutel eligió un enfoque completamente diferente:los átomos de álcali se acoplaron al campo de luz de una fibra de vidrio ultrafina. En una fibra de vidrio, la luz puede propagarse hacia adelante o hacia atrás. Hay, sin embargo, otra propiedad de la luz que debe tenerse en cuenta:la dirección de oscilación de la onda luminosa, también llamada polarización.
La interacción de la luz y la fibra de vidrio modifica el estado de oscilación de la luz. "La polarización gira, muy parecido al rotor de un helicóptero ", dice Arno Rauschenbeutel. El sentido de rotación depende de si la luz viaja hacia adelante o hacia atrás. En un caso, la onda de luz oscila en el sentido de las agujas del reloj y en el otro, en sentido anti-horario. La dirección de propagación y el estado de oscilación de la onda de luz están bloqueados entre sí.
Si los átomos de álcali se preparan en el estado cuántico correcto y se acoplan a la luz en la fibra de vidrio ultrafina, es posible hacerlos reaccionar de manera diferente a los dos sentidos de rotación de la luz. "La luz en la dirección de avance no se ve afectada por los átomos. Sin embargo, luz que viaja hacia atrás y, en consecuencia, gira al revés, se acopla a los átomos alcalinos y se dispersa fuera de la fibra de vidrio ", dice Arno Rauschenbeutel.
El estado atómico como interruptor cuántico
Este efecto se ha demostrado de dos formas diferentes en TU Wien:en el primer enfoque, se colocaron unos 30 átomos a lo largo de la fibra de vidrio. Al enviar luz se midió una alta transmisión de casi el 80% para una dirección de propagación, mientras que fue diez veces menor en la otra dirección. En el segundo enfoque, sólo se utilizó un átomo de rubidio. En este caso, la luz se almacenó temporalmente en un microrresonador óptico, para que pudiera interactuar con el átomo durante un tiempo relativamente largo. De esta manera, Se podría lograr un control similar sobre la transmisión.
"Cuando solo usamos un átomo, tenemos un control mucho más sutil sobre el proceso ", dice Rauschenbeutel. "Se puede preparar el átomo en una superposición cuántica de los dos estados posibles, para que bloquee la luz y la deje pasar al mismo tiempo ". Según la física clásica, esto sería imposible, pero la física cuántica permite tales combinaciones. Esto abriría la puerta a nuevos interesantes posibilidades para el procesamiento óptico de información cuántica.
