El láser dispara a una frecuencia de diez millones de veces por segundo, y cada disparo extrae de la película de poliestireno exactamente un fotón. Ni un haz, ni un grupo: una única partícula de luz, cuidadosamente empaquetada en el espacio y el tiempo. La fuente es una molécula que se puede comprar en el catálogo de reactivos químicos: fullereno C60, sesenta átomos de carbono plegados en forma de balón de fútbol. Ese mismo balón por cuya síntesis se otorgó el Premio Nobel de Química en 1996. Ahora juega en otra liga.

Hasta hace poco se pensaba que para emitir fotones individuales se necesitaban temperaturas criogénicas y heteroestructuras semiconductoras complejas, o puntos cuánticos coloidales, que parpadean y se desvanecen. El trabajo de los físicos barceloneses rompe este esquema habitual. Disolvieron C60 comercial en tolueno junto con poliestireno, depositaron una gota sobre un sustrato de oro y la hicieron girar a 4000 revoluciones por minuto. El resultado es una película en la que las moléculas individuales de fullereno están aisladas entre sí, como balones en una sala enorme y vacía. Luego, excitación con láser de longitud de onda 405 nm y registro de la luz emitida en un interferómetro de Hanbury Brown y Twiss. Este aparato mide si los fotones llegan en pares o estrictamente uno a uno.

La magnitud clave es la función de correlación de segundo orden g(2)(0). Si es menor que 0,5, los fotones no llegan en pares: la fuente es individual. En las películas barcelonesas, con excitación continua, g(2)(0) = 0,304 ± 0,024. Con excitación pulsada a 10 MHz, 0,308 ± 0,024. Esto significa que los fotones se emiten bajo demanda, con una pureza suficiente para la criptografía cuántica. El tiempo de vida del excitón, el estado excitado de la molécula antes de la emisión, resultó ser de unos 4,5 nanosegundos, con una dispersión de 3 a 27 ns según el entorno local. El parpadeo, es decir, la conmutación aleatoria entre estados brillante y oscuro, se describe mediante una ley de potencias con exponente α = 0,369. Esto indica una dinámica compleja de múltiples niveles, no un simple modelo de tres niveles.

¿De dónde viene la luz? El C60 puro apenas emite: su alta simetría prohíbe las transiciones ópticas. Pero bajo la acción de la luz y el oxígeno, los átomos de oxígeno se unen a la molécula, rompiendo la simetría y permitiendo las transiciones. Por lo tanto, el espectro de emisión con un pico en 620 nm se explica por la fotooxidación del C60, formando C60On. Esto es a la vez una maldición y una bendición. Por un lado, la oxidación hace que la molécula sea brillante. Por otro, introduce inestabilidad y parpadeo. El control del grado de oxidación es la clave para fuentes estables.

La utilidad práctica es evidente. Las comunicaciones cuánticas requieren fuentes de fotones individuales que funcionen a temperatura ambiente, sean baratas y escalables. Aquí no se necesitan instalaciones criogénicas ni nanofabricación compleja. El corto tiempo de vida del excitón promete una alta tasa de generación de fotones. Pero el parpadeo y la dispersión de los tiempos de vida muestran que las moléculas son sensibles al entorno. El siguiente paso es la modificación química de los fullerenos, por ejemplo, la unión de grupos funcionales para suprimir el parpadeo y estrechar la distribución de los tiempos de vida. La integración en resonadores ópticos acelerará la emisión y aumentará la eficiencia de recolección de fotones.

El balón de fútbol que, al silbato, emite exactamente un fotón, ya no es una metáfora, sino un elemento funcional de las futuras redes cuánticas. El mismo C60 que una vez sorprendió a los químicos con su simetría, ahora sorprende a los físicos con su capacidad para servir como fuente de luz cuántica. El juego apenas comienza.