Explorar intrigantes fenómenos cuánticos y la dinámica de partículas a través de la dualidad onda-partícula de la luz
La luz es tanto una onda como un flujo de partículas: los fotones. Si pensamos en la luz en términos clásicos, la concebimos como una onda electromagnética oscilante. En cambio, al explorar su naturaleza cuántica, la atención se centra en los fotones individuales. La perspectiva cuántica resulta natural cuando se trata de unos pocos fotones. Sin embargo, cuando la luz se vuelve intensa —con millones o incluso miles de millones de fotones—, tendemos a volver al pensamiento clásico. En este régimen, la luz se describe como una onda continua, y la idea de propiedades cuánticas puede resultar contraintuitiva.
Campos láser intensos que conforman la naturaleza cuántica de la luz
Eso es exactamente en lo que se centró QUMATTO, un proyecto que recibió financiación de las acciones Marie Sklodowska-Curie: explorar la naturaleza cuántica de la luz en presencia de miles de millones de fotones. «Nuestro objetivo es aprovechar este inmenso número de fotones y hacer que se comporten de formas que desafíen la comprensión convencional de las ondas electromagnéticas», señala Mikhail Ivanov, coordinador del proyecto. «Intentamos generar grandes cantidades de fotones en una amplia gama de frecuencias, desde el infrarrojo hasta el ultravioleta extremo, y darles forma en estados cuánticos inusuales. Entre ellos se encuentran los estados “fantasmagóricos”, en los que fotones de frecuencias diferentes están misteriosamente conectados, o los estados que recuerdan al famoso gato de Schrödinger, que existen en dos condiciones aparentemente contradictorias a la vez». Los estados cuánticos únicos de la luz son los componentes básicos de las tecnologías de la información cuántica, en las que los fotones desempeñan un papel fundamental. Lo innovador es el uso de potentes campos láser para controlar el movimiento de los electrones que emiten esa luz, para crear estados cuánticos de luz totalmente nuevos. «En nuestro reciente trabajo publicado en Physical Review X, exploramos cómo pueden utilizarse fuertes campos luminosos clásicos para controlar el movimiento de los electrones en la materia, adaptando así las características cuánticas de la luz resultante que emiten estos electrones. Una predicción sorprendente es que la luz emitida puede “estrujarse” significativamente», destaca Ivanov. Ello significa que determinadas fluctuaciones cuánticas de la luz se reducen por debajo del límite cuántico estándar, una propiedad de incalculable valor para las tecnologías cuánticas.
La luz cuántica expone la dinámica de los electrones
Desde hace años, los investigadores estudian las propiedades cuánticas de las ráfagas de luz de attosegundos emitidas por átomos, moléculas y sólidos. Los estallidos han sido fundamentales para la física y la tecnología de attosegundos, celebrados tanto con el Premio Nobel de 2023 como con el Premio Wolf de Física de 2022. En los últimos treinta años, los equipos de investigación han dominado el arte de producir, controlar y adaptar estas ráfagas para estudiar el movimiento de los electrones en la materia, descubriendo la intrincada «danza» entre electrones y átomos en moléculas y sólidos. Sin embargo, hasta hace poco, los investigadores habían ignorado en gran medida las propiedades cuánticas de estas ráfagas de luz, que revelan detalles ocultos sobre el comportamiento de los electrones. «Por ejemplo, cuando los electrones compiten por emitir un fotón, las propiedades cuánticas de ese fotón conservan una “memoria” de su lucha, lo que ofrece nuevas perspectivas sobre sus interacciones», señala Ivanov. Eso abre una dirección completamente nueva en la espectroscopia óptica ultrarrápida. «En lugar de basarnos únicamente en las propiedades clásicas de la luz emitida para estudiar el movimiento cuántico en la materia, ahora estamos utilizando las propiedades cuánticas de la luz para descubrir detalles aún más profundos sobre cómo se comporta la materia en estados de gran desequilibrio», añade Ivanov. En general, el equipo de QUMATTO ha explorado nuevas fuentes de luz cuántica en una amplia gama espectral, lo cual permitirá avances en tecnologías cuánticas, detección cuántica y metrología de precisión. Asimismo, los investigadores fueron pioneros en la espectroscopia óptica ultrarrápida para explorar tanto la luz clásica como la cuántica, revelando nuevos conocimientos sobre la materia en estados de gran desequilibrio.
Palabras clave
QUMATTO, luz cuántica, campo láser, espectroscopia óptica ultrarrápida, estados de no equilibrio, gato de Schrödinger
