Ciencia

La luz cuántica podría sondear reacciones químicas en tiempo real

Una de las cosas que distingue al mundo cuántico de nuestro mundo clásico cotidiano es la capacidad de entrelazamiento, cuando dos o más objetos comparten una conexión invisible que entrelaza sus destinos. El entrelazamiento es la versión más extrema de una conexión cuántica, donde medir una partícula puede decirte todo lo que necesitas saber sobre otra. Aparte de eso, las partículas aún pueden sincronizarse de manera decididamente cuántica, donde medir una partícula le dará información incompleta sobre otra. Estas correlaciones cuánticas se pueden utilizar para realizar mediciones más precisas que las clásicas. Por ejemplo, pueden ayudarnos a detectar ondas gravitacionales.

Los fotones de luz a menudo no se conectan naturalmente de esta manera. Pero cuando lo hacen, los fotones correlacionados cuánticamente podrían ser potencialmente útiles para estudiar las características cuánticas de los materiales. Sin embargo, generar esta luz cuántica es un asunto complicado y, hasta ahora, se ha limitado en gran medida a unos pocos fotones.

Los electrones, átomos y moléculas, por otro lado, participan en correlaciones cuánticas en masa dentro de los materiales todo el tiempo. Los electrones que se sincronizan dentro de un metal dan lugar a la superconductividad a bajas temperaturas, por ejemplo, y, especulan los físicos, superconductividad a alta temperatura, materiales exóticos de electrones fraccionados y más. Ahora, un equipo de físicos en Israel, Austria, Inglaterra y los EE. UU. ha encontrado una manera de imprimir el patrón complejo de correlaciones cuánticas de dichos materiales en la luz. Este método puede producir luz cuántica brillante en una amplia gama de frecuencias, el equipo explicado recientemente en Física de la naturaleza.

“Imagina tener luz cuántica que puedas ver con tus ojos”, dice Ido Kaminer, ingeniero eléctrico e informático en Technion-Israel Institute of Technology y autor principal del estudio. «Eso sería increíble y también tendría muchas ventajas para las aplicaciones de la ciencia cuántica que de otro modo no considerarías».

La idea de los investigadores se basa en un proceso existente para crear ráfagas de luz brillante. Este proceso, conocido como generación de armónicos elevados, consiste en hacer brillar un rayo láser brillante sobre un gas de átomos o, más recientemente, sobre un cristal sólido, como el óxido de zinc, el ingrediente activo de muchos protectores solares minerales. Los átomos gaseosos o los sólidos absorben la luz láser y, a su vez, emiten luz con armónicos más altos: si la luz de entrada es como un do central en un piano, la luz emitida es comparable a muchas notas do cientos de octavas arriba.

Las emisiones se combinan para producir pulsos de luz que pasan en la más mínima fracción de segundo: una billonésima de una billonésima. Si se dirigen a electrones, átomos o moléculas, estas ráfagas cortas se pueden usar para capturar videos de alta velocidad de cuadros.

Para su nuevo estudio, los investigadores intentaron comprender cómo las correlaciones cuánticas dentro de un material fuente, ya sea un gas o un mineral, afectarían las propiedades cuánticas de los estallidos de luz que salen, si es que lo hacen. “La generación de armónicos altos es un área muy importante. Y aún así, hasta hace poco, se describía con una imagen clásica de la luz”, dice Kaminer.

En la mecánica cuántica, averiguar qué sucede con más de unas pocas partículas al mismo tiempo es notoriamente difícil. Kaminer y Alexey Gorlach, un estudiante graduado en su laboratorio, utilizaron su aislamiento impuesto por COVID para intentar avanzar en una descripción completamente cuántica de la luz emitida en armónicos altos. “Es realmente una locura; Alexey construyó una descripción matemática súper compleja en una escala que nunca antes habíamos tenido”, dice Kaminer.

A continuación, para incorporar completamente las propiedades cuánticas del material utilizado para generar esta luz, Kaminer y Gorlach se asociaron con Andrea Pizzi, entonces estudiante de posgrado en la Universidad de Cambridge y ahora becaria posdoctoral en la Universidad de Harvard.

«Este es un marco matemático muy hermoso para atacar el complicado mundo mesoscópico», dice Elena del Valle, experta en interacción luz-materia y física de la Universidad Autónoma de Madrid, que no participó en el trabajo. “Mesoscópico” se refiere a cualquier cosa que combine un número medio de partículas: más que unas pocas pero no tantas como para que el comportamiento individual sea completamente irrelevante. Aquí, eso significa los muchos fotones y sus correlaciones cuánticas.

Los resultados de los investigadores explican con precisión cómo las correlaciones cuánticas de la fuente se traducirán en correlaciones cuánticas de la luz emitida.

Si dicha luz cuántica se genera con éxito en los experimentos, hay dos formas principales en que podría ser de uso práctico. En primer lugar, puede dar una idea del material que lo generó. “Las propiedades cuánticas están en el centro de muchas cosas, como los superconductores de alta temperatura”, dice Kaminer. “Y esto te enseñaría algo que no podrías ver de otra manera”.

En segundo lugar, la luz cuántica se puede utilizar como fuente, especialmente en el caso de las imágenes de rayos X. En este ámbito, la luz correlacionada podría captar información cuántica adicional que de otro modo sería inaccesible. «Una vez que llega al régimen de rayos X», dice Kaminer, «entonces puede usarlo para obtener imágenes de materiales, analizar muestras».

Los átomos y los materiales utilizados hoy en día para la generación de altos armónicos no tienen propiedades cuánticas interesantes de las que hablar, dice Kaminer, y por lo tanto no producen luz cuántica. Para elegir un material con el que trabajar y crear esta luz en el laboratorio, los científicos pretenden formar equipo con un grupo experimental. Advierten que una implementación real podría no ser sencilla.

“Desde aquí hasta el experimento, todavía habrá trabajo duro, ingeniería innovadora y desarrollos teóricos”, dice Pizzi. Pero los investigadores tienen varias ideas experimentales prometedoras, y Pizzi y sus colaboradores, así como otros en el campo, son optimistas. “Reunir todo esto para unos pocos átomos, bajo una fuerte excitación pulsada, no es ciencia ficción en este momento”, dice del Valle. Si se realiza, esta técnica podría permitir a los científicos vislumbrar la complejidad cuántica completa de la materia como nunca antes.

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