El entrelazamiento es un fenómeno extraño en la física cuántica en el que dos partículas están inherentemente conectadas entre sí sin importar la distancia entre ellas. Cuando uno se mide, la otra medida se da instantáneamente. Investigadores de la Universidad de Purdue han propuesto un enfoque novedoso y poco convencional para generar una fuente de luz especial compuesta de fotones entrelazados. El 6 de septiembre de 2022, publicaron sus hallazgos en Physical Review Research.

El equipo propuso un método para generar fotones entrelazados en longitudes de onda del ultravioleta extremo (XUV) donde actualmente no existe tal fuente. Su trabajo proporciona una hoja de ruta sobre cómo generar estos fotones entrelazados y usarlos para rastrear la dinámica de los electrones en moléculas y materiales en escalas de tiempo increíblemente cortas de attosegundos.

«Se garantiza que los fotones entrelazados en nuestro trabajo lleguen a un lugar determinado en un tiempo muy corto de attosegundos, siempre que viajen la misma distancia», dice el Dr. Niranjan Shivaram, profesor asistente de Física y Astronomía. «Esta correlación en su tiempo de llegada los hace muy útiles para medir eventos ultrarrápidos. Una aplicación importante es en metrología de attosegundos para ampliar los límites de medición de los fenómenos de escala de tiempo más cortos. Esta fuente de fotones entrelazados también se puede usar en imágenes cuánticas y espectroscopia. , donde se ha demostrado que los fotones entrelazados mejoran la capacidad de obtener información, pero ahora en XUV e incluso en longitudes de onda de rayos X».

Los autores de la publicación, titulada «Fotones enredados en attosegundos de la descomposición de dos fotones de átomos metaestables: una fuente para experimentos en attosegundos y más allá», pertenecen al Departamento de Física y Astronomía de la Universidad de Purdue y trabajan con el Instituto de Ingeniería y Ciencias Cuánticas de Purdue. (PQSEI). Ellos son el Dr. Yimeng Wang, recién graduado de la Universidad de Purdue; Siddhant Pandey, candidato a doctorado en el campo de la espectroscopia ultrarrápida experimental; Dr. Chris H. Greene, Profesor Distinguido Albert Overhauser de Física y Astronomía; y el Dr. Shivaram.

«El Departamento de Física y Astronomía de Purdue tiene un sólido programa de física atómica, molecular y óptica (AMO), que reúne a expertos en varios subcampos de AMO», dice Shivaram. «El conocimiento experto de Chris Greene sobre física atómica teórica combinado con la experiencia de Niranjan en el campo relativamente joven de la ciencia experimental de attosegundos condujo a este proyecto colaborativo. Si bien muchas universidades tienen programas AMO, el programa AMO de Purdue es excepcionalmente diverso en el sentido de que cuenta con expertos en múltiples subcampos de ciencia AMO».

Cada investigador desempeñó un papel importante en esta investigación en curso. Greene sugirió inicialmente la idea de usar fotones emitidos por átomos de helio como fuente de fotones entrelazados y Shivaram sugirió aplicaciones a la ciencia del attosegundo y propuso esquemas experimentales. Luego, Wang y Greene desarrollaron el marco teórico para calcular la emisión de fotones entrelazados a partir de átomos de helio, mientras que Pandey y Shivaram hicieron estimaciones de las tasas de emisión/absorción de fotones entrelazados y elaboraron los detalles de los esquemas experimentales de attosegundos propuestos.

La publicación marca el comienzo de esta investigación para Shivaram y Greene. En esta publicación, los autores proponen la idea y desarrollan los aspectos teóricos del experimento. Shivaram y Greene planean continuar colaborando en ideas experimentales y teóricas adicionales. El laboratorio de Shivaram, Ultrafast Quantum Dynamics Group, está construyendo actualmente un aparato para demostrar experimentalmente algunas de estas ideas. Según Shivaram, la esperanza es que otros investigadores en la ciencia del attosegundo comiencen a trabajar en estas ideas. Un esfuerzo concertado de muchos grupos de investigación podría aumentar aún más el impacto de este trabajo. Eventualmente, esperan reducir la escala de tiempo de los fotones entrelazados al zeptosegundo, 10-21 segundos.

«Por lo general, los experimentos en escalas de tiempo de attosegundos se realizan utilizando pulsos láser de attosegundos como ‘luces estroboscópicas’ para ‘obtener imágenes’ de los electrones. Los límites actuales en estos pulsos son de alrededor de 40 attosegundos. Nuestra idea propuesta de usar fotones entrelazados podría reducir esto a unos pocos attosegundos o zeptosegundos», dice Shivaram.

Para entender el tiempo, hay que entender que los electrones juegan un papel fundamental en la determinación del comportamiento de los átomos, moléculas y materiales sólidos. La escala de tiempo del movimiento de los electrones suele estar en la escala de femtosegundos (una millonésima de una billonésima de segundo, 10-15 segundos) y de attosegundos (una billonésima de una billonésima de segundo, o 10-18 segundos). Según Shivaram, es esencial comprender mejor la dinámica de los electrones y seguir su movimiento en estas escalas de tiempo ultracortas.

«El objetivo del campo de la ciencia ultrarrápida es hacer tales ‘películas’ de electrones y luego usar la luz para controlar el comportamiento de estos electrones para diseñar reacciones químicas, fabricar materiales con propiedades novedosas, fabricar dispositivos a escala molecular, etc.» él dice. «Esta es la interacción luz-materia en su nivel más básico, y las posibilidades de descubrimiento son muchas. Un solo zeptosegundo es de 10 a 21 segundos. Mil zeptosegundos es un attosegundo. Los investigadores recién ahora están comenzando a explorar los fenómenos de zeptosegundos, aunque es experimentalmente fuera del alcance debido a la falta de pulsos de láser de zeptosegundos. Nuestro enfoque único de usar fotones entrelazados en lugar de fotones en pulsos de láser podría permitirnos alcanzar el régimen de zeptosegundos. Esto requerirá un esfuerzo experimental considerable y probablemente sea posible en la escala de tiempo de cinco años..»