Transparencia inducida electromagnéticamente (1/2)

Pongamos que tenemos una lámina de un material opaco, digamos un plástico, y que intentamos hacer pasar luz roja a través de él. Dado que es opaco, la luz no podrá pasa, así que detrás de la lámina no veremos luz roja.

Sin embargo, supongamos que ese material presenta transparencia inducida electromagnéticamente (EIT). Entonces, usando otra luz particular, digamos de color azul, podemos hacer que el material sea transparente a la luz roja: esto es, si iluminamos el material con luz roja y azul podremos ver luz roja que ha atravesado el material. Extraño, ¿no?.

¿Por qué hablamos hoy de EIT?

Hace poco tiempo salió un artículo [1] sobre cómo unos investigadores en la universidad de Darmstad, en Alemania, habían conseguido almacenar información cuántica en un material durante aproximadamente un minuto utilizando la técnica EIT. En nota que colgamos en nuestra página de Facebook, comentábamos el articulo al respecto que salió en la revista Physics de la Asociación Americana de Física (APS). Miguel Lillo se puso en contacto con nosotros con unas preguntas y el resto de la entrada es, básicamente, nuestra respuesta.

¿Qué es la transparencia inducida electromagnéticamente (EIT)?

EIT es un fenómeno característicamente cuántico, en el que un material se hace transparente a luz “resonante”, a la que debería ser opaco. Pero ¿cómo definimos transparente y resonante?

Usualmente, la luz (de una cierta frecuencia \nu) que pasa a través de un material tiene que interactuar con los niveles energéticos (estados) de ese material. Llamamos transparente al comportamiento del material cuando la luz que lo atraviesa no pierde intensidad (o casi).

Si la luz tiene una frecuencia muy parecida a la diferencia de energía entre los niveles con electrones del material, el sistema es “resonante”, y la luz será dispersada y absorbida por el material (por los electrones del material), volviéndose opaco. Este fenómeno es la base de lo que constituyó la espectroscopía a inicios finales del sXIX y principios del s XX.

Sin embargo, si la frecuencia de la luz no está “en resonancia”, el material “no se entera” de que está pasando a través de él, y es transparente.

Ahora bien, esta descripción solo tiene en cuenta cada par de niveles individuales (tomas la diferencia de energía entre ellos y la comparas con la frecuencia de tu luz), pero existen fenómenos más complejos que involucran 3 niveles. Uno de estos fenómenos es la transparencia inducida electromagnéticamente (EIT).

Sin entrar en demasiados detalles, podemos imaginarnos un sistema que tiene los niveles A, B y C, y que tienes luz de dos frecuencias, \nu_1 y \nu_2 (ésta última se suele llamar “haz de control”), que conectan, respectivamente, AB y BC. Al hacer pasar luz con frecuencia \nu_1 por el material, el material la dispersaria y la absorberia de manera incoherente. Vamos, para todos los propósitos, la “perderías”.

Cuando no hay luz de control, el medio es opaco a la luz; sin embargo, si hay luz de control, el medio es transparente.

Pero si pones también esa luz de control a la vez que la de frecuencia \nu_1, puedes hacer que el material se haga transparente para \nu_1.

¿Pero qué ocurre dentro del material?

Lo que ocurre es que, dentro del material, el haz de control convierte parcialmente los fotones de luz con frecuencia \nu_1 en una “onda de espín”, una excitación del material, que se propaga en la misma dirección que la luz. Y cuando sale del material se vuelve a convertir en fotones con frecuencia \nu_1.

La velocidad de propagación de esa onda de espín depende de la cantidad de luz con esa otra frecuencia \nu_2: si hay mucha, se propaga rápido, y si hay poca, se propaga lento. Para almacenar la luz, el truco consiste en ir apagando el haz de control mientras que la de \nu_1 pasa por el medio. Así, la velocidad de propagación de esos fotones se reduce a 0, “guardándolos” de manera efectiva.

Luego, vuelves a encender el haz de control, las ondas de espín se aceleran, y al final fotones \nu_1 salen del medio.

En la siguiente entrada explicaremos con un poco más de detenimiento qué es una onda de espín y para qué sirve todo esto en el contexto de la computación cuántica.

[1] Georg Heinze, Christian Hubrich, and Thomas Halfmann,  “Stopped Light and Image Storage by Electromagnetically Induced Transparency up to the Regime of One Minute” Phys. Rev. Lett. 111, 033601 (2013)

One thought on “Transparencia inducida electromagnéticamente (1/2)

  1. Pingback: Almacenamiento y control de fotones ópticos | Scientia potentia est

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