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La simetría importa para generar fotones correlacionados

Reyna Alejandra Fonseca Velázquez
14/jun/2016

La óptica cuántica y su fortalecimiento desde la invención del láser en 1960 generó toda una gama de aplicaciones modernas, que van desde la tecnología de comunicaciones, la biología molecular, la medicina láser hasta, más recientemente, la información cuántica.

Muestra de ello es el artículo que publicó recientemente Rocío Jáuregui Renaud, investigadora del Instituto de Física y miembro de la División de Información Cuántica de la Sociedad Mexicana de Física (dICu) junto con Juan P. Torres, en Scientific Reports del grupo editorial Nature titulado “On the use of structured light in nonlinear optics studies of the symmetry group of a crystal”, en el que muestra una novedosa aplicación de la óptica cuántica.

En el artículo, Jáuregui analiza teóricamente el comportamiento de la luz al pasar a través de cristales no lineales que pueden cambiar no solo la dirección, la frecuencia de oscilación y la intensidad de la de luz que pasa a través de ellos sino que también pueden dar origen a luz con propiedades cuánticas.

La cuestión clave que busca explorar con su investigación es: ¿cómo afecta la simetría del cristal a la luz resultante que pasa por él?

Las bondades de la luz cuántica

¿Qué diferencia a la luz común, es decir, a la luz clásica, de la cuántica? ¿Por qué, como dice la misma investigadora, “es más bonito cuando se cuenta con correlaciones que tienen un origen cuántico”?

Para Jáuregui, una diferencia entre estos dos tipos de luz es que la física cuántica ofrece opciones muy interesantes. Una de ellas es conocida como entrelazamiento.

“Si tú generas luz de una fuente común que origina dos ramas de luz con propiedades cuánticas, al afectar a una de esas ramas, la descripción de las propiedades de la otra rama también puede ser modificada en el mismo instante y esto simplemente no puede ser explicado clásicamente”, explica la investigadora.

El método para generar la luz cuántica que estudia Jáuregui y su equipo de trabajo es el más utilizado para producir pares de fotones entrelazados, comúnmente conocido como Conversión Paramétrica Descendente Espontánea.

Este fenómeno se genera por medio de un haz de luz de gran intensidad y un cristal no lineal, que para éste caso es un cristal birrefringente, o sea, un cristal que desdobla en dos al haz de luz incidente. Dadas las propiedades de onda y partícula de la luz, como resultado de la incidencia del haz de luz en el cristal, se verán reflejadas las propiedades estructurales del cristal por la interacción que tendrá éste con el campo eléctrico de la luz incidente.

En la configuración experimental tradicional, el resultado siempre es que la luz cuántica es emitida sobre un cono, como es el caso de esta investigación, o dos conos que no comparten su eje de simetría, para otro tipo de cristales no lineales. En la superficie de estos conos se localizan los pares de fotones entrelazados y su entrelazamiento cuántico se puede utilizar en muchos experimentos básicos con importantes aplicaciones tecnológicas.

La dirección de los ejes de los conos depende de la dirección del haz incidente, entonces se podría enviar información codificada a dos lugares diferentes desde una fuente común al modificar la dirección de incidencia del haz de luz en el cristal birrefringente, por ejemplo.

Esquema de la conversión paramétrica descendente y del cono de producción paramétrica descendente tipo I (parte inferior) y tipo II (parte superior). Facilitado por Rocío Jáuregui Renaud.

La estructura cónica con la que sale la luz transmitida por el cristal birrefringente es independiente de la estructura del cristal no lineal cuando no se le piden muchas características especiales al haz de luz incidente, pero se espera que se observen ciertas huellas en esa luz transmitida que hagan evidente la simetría de dicha estructura interna del cristal no lineal. Entonces, ¿cómo resaltar la estructura del cristal en este fenómeno no lineal en un análisis teórico?, se preguntó la investigadora.

La importancia de la simetría

Con esa pregunta de investigación, el equipo encontró tres cosas interesantes en sus modelos teóricos: la primera es que convenía enviar luz estructurada al cristal, o sea, antes de que el haz pase por el cristal se hace pasar por una serie de elementos ópticos que hagan que el haz posea direcciones de propagación que interfieran con el cristal, y dada la ubicación de sus átomos esto provocará direcciones definidas de mayor intensidad de la luz transmitida. Una segunda observación corresponde a que se debe elegir la polarización de luz (dirección en la que oscila la onda de luz) que maximice la posibilidad de detectar los efectos de la Conversión Paramétrica Descendente Espontánea. El tercer punto se refiere a la orientación de los ejes de simetría del cristal con las direcciones de la luz incidente.

“La idea era tratar de ver la estructura del cristal reflejada en el efecto de la luz transmitida y encontramos que si mandas luz con cierta polarización y cierta estructura, va a ser posible ver del otro lado la simetría del cristal, que se verá reflejada en los lugares donde es más probable que salgan las parejas de fotones”, explicó la investigadora.

La cristalografía, en sus cien años de desarrollo, ha sido altamente exitosa. Sin embargo, esta propuesta podría ser útil desde varios puntos de vista. Uno de ellos es que la luz estructurada podría ser bastante conveniente en estudios cristalográficos pues permite observar al cristal desde muchos ángulos simultáneamente. También se hace evidente que los fenómenos no lineales pueden reflejar simetrías del cristal. Y finalmente, muestra que en el régimen cuántico los fotones pueden heredar también huellas de la simetría del cristal.

Jáuregui está contenta con su trabajo. “Es una idea original, local y nueva que espero que sea una herramienta para que otras personas puedan usarlo en sus futuras investigaciones”, dijo a Noticias IFUNAM.