Recientemente, se observaron sorprendentes efectos físicos utilizando guías de onda microscópicas especiales para la luz. Tales "estructuras fotónicas" actualmente están revolucionando los campos de la óptica y la fotónica, y han abierto el nuevo área de investigación de "Óptica cuántica quiral". Físicos de Copenhague,Innsbruck y Viena, que son figuras destacadas en este campo, ahora han escrito una visión general sobre el tema que acaba de aparecer en la revista científica Naturaleza .
Lo que uno aprende en la escuela es que la luz oscila bajo un ángulo recto transversal con respecto a su dirección de propagación. Sin embargo, entre los expertos, ya se sabía que la luz se comporta de manera diferente cuando está confinada fuertemente en el plano transversal usando asíllamadas "estructuras fotónicas". En particular, este es el caso de las fibras de vidrio ultrafinas especiales que tienen un diámetro de solo unos pocos cientos de nanómetros un nanómetro es la millonésima parte de un milímetro y que, por lo tanto, son más pequeñas que la longitud de ondade luz. También las guías de ondas basadas en los llamados "cristales fotónicos" estructuras bidimensionales con agujeros dispuestos periódicamente pueden confinar la luz de esta manera.
En esta situación, la luz también oscila a lo largo de su dirección de propagación longitudinal. La combinación de oscilación transversal y longitudinal conduce a un campo eléctrico giratorio que los físicos llaman polarización circular. Sin el confinamiento espacial, el campo eléctrico asociado con la luz polarizada circularmentese comporta como la hélice de un avión cuyo eje es paralelo a la dirección de propagación. "Sin embargo, en guías de ondas fotónicas estrechas, el campo eléctrico de la luz se asemeja al rotor de un helicóptero", explica Arno Rauschenbeutel del Centro de Ciencia Cuántica de Viena yTecnología en el Instituto de Física Atómica y Subatómica de TU Wien, Austria. Aquí, el giro de los puntos de luz a lo largo del eje del rotor y, por lo tanto, está orientado perpendicular a la dirección de propagación de la luz.
bloqueo de la luz de giro
Este fenómeno inesperado tiene consecuencias importantes: el sentido de rotación del campo eléctrico se define repentinamente por la dirección de propagación de la luz. "Tan pronto como la luz en una estructura fotónica viaja en la dirección opuesta, el campo eléctrico gira al revésy el giro gira ", afirma Rauschenbeutel. Los físicos llaman a este fenómeno bloqueo de giro-momento.
Las cosas se vuelven particularmente emocionantes cuando los llamados "emisores cuánticos" se acoplan al campo de luz. Estos podrían ser, por ejemplo, átomos o puntos cuánticos, es decir, estructuras nanoscópicas hechas de material semiconductor. Estos emisores pueden ser excitados por la luz absorción de luz e irradiarlo de nuevo emisión de luz. Hasta hace poco, se daba por sentado en óptica cuántica que esta interacción entre la luz y los emisores siempre es simétrica; precisamente, la misma cantidad de luz se irradia en una y en la dirección opuesta.
Sin embargo, los emisores cuánticos se pueden preparar de manera que solo absorban la luz de una cierta polarización. En las estructuras fotónicas, el sentido de rotación del campo eléctrico, es decir, la polarización de la luz, depende de la dirección de propagación. En consecuencia, si ahora traemosun emisor cuántico adecuadamente preparado en el campo de luz de una estructura fotónica, la fuerza de la interacción entre el emisor y la luz dependerá de la dirección de propagación de la luz ". Tener una interacción dependiente de la dirección significa que la simetría se rompe: el emisor irradiade manera diferente en direcciones opuestas ", afirma Rauschenbeutel. Esta dependencia de la dirección quiralidad es el concepto subyacente de la" óptica cuántica quiral "y ocurre no solo para la emisión de luz, sino también para la absorción y dispersión.
Cooperación exitosa
Desde 2012, diferentes grupos han demostrado los efectos correspondientes en muchos experimentos y los han utilizado para diferentes propósitos. Rauschenbeutel y su equipo concentraron su investigación en fibras de vidrio ultrafinas y resonadores en forma de botella, que se unen a átomos y partículas metálicas microscópicas.-autores alrededor de Peter Lodahl del Instituto Niels Bohr en Copenhague, por otro lado, usan guías de ondas basadas en cristales fotónicos. Además, Hannes Pichler y Peter Zoller de la Universidad de Innsbruck y el Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica de la Academia Austriacaof Sciences proporcionó los fundamentos teóricos y desarrolló visiones impresionantes para el futuro.
Los nuevos efectos físicos permiten aplicaciones fundamentalmente nuevas. "Desarrollamos diodos fotónicos que son calles unidireccionales para la luz. Nos dimos cuenta de circuladores en los que un solo átomo controla la luz de manera similar al tráfico en una rotonda", dice Rauschenbeutel enfatizando la exitosa cooperación entreLos científicos austriacos dentro del Programa Especial de Investigación FoQuS Fundamentos y Aplicaciones de la Ciencia Cuántica para este trabajo. Tales dispositivos no recíprocos tienen propiedades ópticas que dependen de la dirección de propagación de la luz y, análogamente a sus contrapartes electrónicas, son necesarios para la realización óptica.circuitos. Tales chips ópticos podrían emplearse en computadoras futuras.
Pero los chips ópticos basados en óptica cuántica quiral no solo pueden usarse para el procesamiento clásico de información. También son adecuados para procesar fotones individuales y además pueden prepararse en estados de superposición mecánica cuántica. De esta manera, los componentes ópticos cuánticos quirales son muy adecuadospara procesar información cuántica en redes cuánticas futuras o computadoras cuánticas.
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Materiales proporcionado por Universidad Tecnológica de Viena . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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