El hecho de que la luz de nuestros espacios vitales esté encendida o apagada se puede regular en la vida cotidiana simplemente alcanzando el interruptor de la luz. Sin embargo, cuando el espacio para la luz se reduce a unos pocos nanómetros, dominan los efectos mecánicos cuánticos y no está claro si hay luz en él o no. Ambos pueden incluso ser el caso al mismo tiempo, como muestran científicos de la Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) y la Universidad de Bielefeld en la revista « Nature Physics ».

« La detección de estos estados exóticos de la física cuántica en las escalas de tamaño de los transistores eléctricos podría ayudar en el desarrollo de tecnologías cuánticas ópticas de futuros chips de computadora », explica el profesor de Würzburg, Bert Hecht. Las nanoestructuras estudiadas fueron producidas en su grupo.

La tecnología de nuestro mundo digital se basa en el principio de que una corriente fluye o no fluye : uno o cero, encendido o apagado. Existen dos estados claros. En física cuántica, por otro lado, es posible ignorar este principio y crear una superposición arbitraria de los supuestos opuestos. Esto aumenta muchas veces las posibilidades de transmitir y procesar información. Tales estados de superposición se conocen desde hace algún tiempo, especialmente para las partículas de luz, los llamados fotones, y se utilizan en la detección de ondas gravitacionales.

Estados cuánticos detectados

Un equipo de físicos y químicos físicos de Bielefeld y Würzburg ha logrado detectar estos estados de superposición de luz directamente en una nanoestructura. La luz se captura en una nanoestructura en un espacio muy pequeño y se acopla a oscilaciones electrónicas: los llamados plasmones. Esto permite que la energía de la luz se mantenga en su lugar en la nanoescala.

En el experimento en el grupo del profesor de Würzburg Tobias Brixner, los investigadores investigaron cuántos fotones de un pulso de luz se acoplan a la nanoestructura. El resultado : ¡a la vez ningún fotón y tres fotones ! Brixner explica : « Detectar esta firma fue un desafío enorme. Los fotones se pueden detectar muy bien con detectores sensibles; sin embargo, en el caso de fotones individuales, que también se encuentran en un estado de superposición mecánica cuántica, no existían métodos adecuados en el nanomundo.  » Además, los estados acoplados de fotones y electrones sobreviven menos de una millonésima de millonésima de segundo y luego decaen de nuevo, dejando apenas tiempo para su detección.

La resolución espacial y temporal más alta combinada

En los experimentos ahora publicados, se utilizó una detección especial. « La energía liberada durante la descomposición del estado es suficiente para liberar otros electrones de la nanoestructura », explica el profesor Walter Pfeiffer (Bielefeld), quien desempeñó un papel clave en el desarrollo del modelo físico y la interpretación de los datos. Luego, los electrones activados podrían capturarse en una imagen utilizando un microscopio electrónico de fotoemisión y una resolución de unos pocos nanómetros. Debido a los rápidos tiempos de decaimiento, se utilizaron secuencias de pulsos láser ultracortos para obtener la « huella digital » de los estados de superposición de la luz.

Este es un primer paso hacia el objetivo de analizar el estado físico cuántico completo de fotones y electrones acoplados directamente a nanoescala. Un proceso que, como en medicina, se describe con el término tomografía. La luz en las oficinas y laboratorios de los científicos involucrados debería, por lo tanto, claramente permanecer encendida.