Piedras de Namibia, polaritones y las nuevas computadoras cuánticas

Por Hermes Lavallén

Hace unos días la revista Nature Materials publicaba una nueva  investigación, según decía que una forma única de luz hecha con una antigua piedra preciosa de Namibia podría ser la clave para las nuevas computadoras cuánticas basadas en la luz y que se podrían resolver misterios científicos de larga data; el estudio utilizó una piedra preciosa de óxido cuproso (Cu2O) extraída naturalmente de Namibia para producir polaritones Rydberg, las partículas híbridas de luz y materia más grandes jamás creadas.  Los polaritones de Rydberg cambian continuamente de luz a materia y viceversa. 

Según los científicos, esta interacción es crucial porque es lo que permite la creación de simuladores cuánticos, un tipo especial de computadora cuántica, donde la información se almacena en bits cuánticos . Estos bits cuánticos, a diferencia de los bits binarios de las computadoras clásicas que solo pueden ser 0 o 1, pueden contener ambos valores (0 y 1). Por lo tanto, pueden almacenar mucha más información y realizar varios procesos simultáneamente.

Esta capacidad podría permitir que los simuladores cuánticos resuelvan importantes misterios de la física, la química y la biología, por ejemplo, cómo hacer superconductores de alta temperatura para trenes de alta velocidad, cómo se podrían hacer fertilizantes más baratos para resolver potencialmente el hambre global, o cómo se pliegan las proteínas para que sea más fácil producir medicamentos más efectivos.

Foto: Dr. Hamid Ohadi (Facultad de Física y Astronomía de la Universidad de St Andrews).

El líder del proyecto, el Dr. Hamid Ohadi, de la Facultad de Física y Astronomía de la Universidad de St Andrews, dice que “hacer un simulador cuántico con luz es el santo grial de la ciencia. Hemos dado un gran salto hacia esto al crear polaritones Rydberg, el ingrediente clave”.

Para hacer los polaritones de Rydberg, los científicos atraparon la luz entre dos espejos extremadamente reflectantes. Un cristal de óxido cuproso, obtenido de la piedra preciosa, fue adelgazado y pulido hasta obtener una losa de 30 micrómetros de espesor. Luego lo intercalaron entre los dos espejos para producir polaritones de Rydberg 100 veces más grandes de lo que se demostró anteriormente.

Foto: Dr. Sai Kiran Rajendran, (Facultad de Física y Astronomía de la Universidad de St Andrews).

Uno de los principales autores, el Dr. Sai Kiran Rajendran de la Escuela de Física y Astronomía de la Universidad de St Andrews, dice que  “comprar la piedra en eBay fue fácil. El desafío era hacer polaritones de Rydberg que existieran en una gama de colores extremadamente estrecha”.

Los científicos ahora están trabajando para refinar estos métodos para explorar la posibilidad de hacer circuitos cuánticos.

Los polaritones son un tema de vanguardia en la investigación de la física de estado sólido.  Éstos exhiben varios fenómenos interesantes tales como superfluidez y condensación.  Los polaritones ofrecen oportunidades únicas para estudiar la física cuántica, pero Qué son especificamente los polaritones ?

En física, los polaritones son ​​cuasipartículas resultantes del fuerte acoplamiento de ondas electromagnéticas con una excitación portadora de un dipolo eléctrico o magnético.  El polaritón es una cuasipartícula bosónica y no debe confundirse con el polarón (una cuasipartícula fermiónica ), que es un electrón más una nube de fonones adjunta.

Los polaritones, cómo adquieren sus extraordinarias propiedades?

Encontramos un buen ejemplo:

Pensar en un guitarra. Es un resonador mecánico simple, cuando se toca una cuerda,…ésta comienza a oscilar y produce ondas de sonido con una frecuencia característica, o tono.  Estas frecuencias de resonancia, como son nombradas, son aquellas para las que exactamente un número entero de oscilaciones cabe entre los extremos fijos.  Para las ondas con otras frecuencias, la cuerda intenta moverse en los puntos donde está fija y las ondas rápidamente se vuelven muy débiles. Solamente las ondas con frecuencias resonantes pueden sobrevivir en la cuerda.  Al igual que las ondas de sonido en la cuerda de guitarra,…la luz puede también imaginarse como una onda. Cada color de la luz tiene una diferente frecuencia…y cada frecuencia corresponde a una diferente longitud de onda,… que es la distancia entre picos vecinos de la onda.  La luz visible tiene longitudes de onda de 450 a 700 nanómetros –…menor que una milésima de milímetro.  Ahora imagina dos espejos paralelos, uno frente a otro.  Ésto es un resonador óptico, confina la luz dentro al hacerla reflejar entre los espejos. Las ondas de luz son atrapadas entre los espejos de una manera similar a las ondas de sonido en la cuerda de guitarra al ser atrapadas entre los dos puentes.  Como resultado, solo algunas frecuencias resonarán y sobrevivirán entre los dos espejos.  La mínima frecuencia resonante posible, es la cual en la que sólo la mitad de la onda cabe entre los espejos.   La longitud de onda de la luz es menos de un micrómetro,…por lo tanto un resonador óptico que confina menos que varias longitudes de onda de luz visible… es llamado microresonador.  Para crear un polaritón, necesitamos añadir algo mas a la luz.  Entre los dos espejos colocamos un pozo cuántico,…que tiene un grosor de solo algunas decenas de átomos.  Es llamado pozo, porque atrapa electrones en su plano para que no puedan escapar a las regiones vecinas.  Si una onda de luz con la frecuencia exacta pasa a través del pozo cuántico, ésta puede ceder su energía para liberar un electrón del átomo al que se encuentra ligado, creando una vacancia. En relación a su entorno, ésta vacancia tiene carga positiva…y es llamada “hueco”. Debido a que el electrón y el hueco tienen cargas opuestas, se atraen entre sí y por un tiempo orbitan uno alrededor del otro.  Éste comportamiento crea una nueva partícula, la cual llamamos exciton.  Eventualmente el exciton se recombina, cuando el electrón regresa al hueco.  La energía es liberada como una onda de luz con la misma frecuencia que la que originalmente creó el exciton.  El pozo cuántico es entonces colocado en el plano que intersecta el pico de la onda de luz dentro del microresonador.  Entonces, cuando el microresonador es calibrado…tal que la onda de luz resonante y el exciton tengan la misma energía,…un exciton puede ser convertido en una onda de luz -la cual después se convierte en exciton, y así sucesivamente. La cavidad óptica resonante puede atrapar la onda de luz emitida por el exciton para que regrese y cree otro exciton que también decae. Un ciclo repetido entre la onda de luz y el exciton se hace posible. Debido a que el exciton y la luz estan constantemente intercambiando…se comportan como una nueva partícula llamada polaritón,…que tiene algunas de las características de cada uno.

¿Cuál es la diferencia entre un polarón y un polaritón?

Cuando un electrón se mueve a través de un cristal, repele a otros electrones y atrae a los protones. El electrón junto con esta nube de distorsión actúa como una partícula por derecho propio: un «polaron». (1/n)

Un polaritón es más complicado. Primero, cuando un electrón en un cristal se sale de su lugar, deja un «agujero». Este agujero puede moverse, ¡y actúa como una partícula cargada positivamente! (2/n)

Como los electrones son negativos y los huecos son positivos, ¡se atraen entre sí! Un electrón que orbita alrededor de un agujero actúa como un átomo de hidrógeno. Se llama «excitón». ¡Se puede mover! Pero después de un tiempo, el electrón cae en el hueco. (3/n)

¡Finalmente, un excitón puede atraer un fotón! ¡Pueden pegarse entre sí para formar una nueva partícula llamada «polariton»! Los polaritones son emocionantes para mí porque están hechos de un electrón, una *ausencia* de un electrón y luz. (4/n)

Los científicos ahora están trabajando para refinar estos métodos para explorar la posibilidad de hacer circuitos cuánticos.