luz coherente

Tres voces que se funden en un solo acorde. En la física de materiales cuánticos, esta imagen cobra un sentido literal: tres capas de grafeno, separadas por finos espaciadores, hacen que electrones y huecos de distintas capas se muevan como un único líquido.

Por la fibra óptica los datos viajan a la velocidad de la luz, pero el camino no es perfecto: la señal se enturbia, como una voz en un pasillo largo. Cuanto mayor es la velocidad y la distancia, más fuertes son las distorsiones. Normalmente se corrigen con electrónica, pero esta no puede seguir el ritmo de la luz.

En una sala con mil espectadores, los aplausos se funden en un rumor general, pero basta con que alguien se salga del ritmo para que un escalofrío recorra la sala. El mundo cuántico funciona de manera parecida: los átomos en una trampa pueden comportarse como un todo único o desmoronarse en individuos independientes.

Una cámara observa dos chispas lejanas. Están tan cerca una de la otra que se funden en una mancha borrosa. Parece imposible distinguirlas por separado: se ha superado el límite clásico de la microscopía óptica. Pero la mecánica cuántica sugiere que el campo de luz aún guarda el secreto de dónde se encuentra cada chispa.

Una orquesta sin director, donde los músicos se escuchan entre sí a través de una pared común. Así funciona aproximadamente el nuevo tipo de láser: varios átomos (emisores) se colocan a lo largo de una guía de ondas, una delgada pista para la luz en un chip. La luz de cada átomo viaja por esa pista e influye en los vecinos.

Un péndulo que oscila por sí solo, sin que nadie le dé cuerda: en el mundo cuántico, estos “péndulos” se llaman cristales de tiempo. En ellos, el movimiento rítmico surge espontáneamente y no se desvanece. Pero hasta ahora, controlar ese ritmo era casi imposible: cualquier intervención amenazaba con destruir el frágil orden.

Un intérprete graba una conversación de muchas horas. Si intenta retener todo el diálogo en la cabeza, al final inevitablemente tergiversará detalles. Más o menos así funcionan los observatorios de ondas gravitacionales: escuchan la «conversación» de cuerpos masivos que se acercan en espiral.

La luz de una bombilla común parece completamente caótica: sus ondas oscilan de manera descoordinada, como una multitud en la que cada persona camina en una dirección distinta. A esa luz se la llama incoherente.

La luz puede ser no solo un rayo, sino una regla de precisión extrema. Si tomamos destellos muy cortos —más cortos que un aleteo de mosca— y los emitimos uno tras otro, obtenemos un peine de frecuencias: un conjunto de colores separados por intervalos exactamente iguales, como los dientes de un peine.

Una fila de soldados marcha por la plaza. Mientras todos mantienen el paso, el movimiento es nítido y coordinado. Pero si alguien se desfasa, la sincronía se pierde. En el mundo microscópico, los electrones desempeñan ese papel: cuando sus oscilaciones son sincrónicas, la sustancia emite una línea estrecha y aguda. En cuanto la sincronía se pierde, la línea se ensancha.

El péndulo oscila con tal precisión que, si hubiera estado contando los segundos desde el Big Bang, hoy se habría desviado solo medio segundo. Esa es la estabilidad del nuevo láser ultravioleta portátil, el corazón de los relojes atómicos de aluminio.

Dos músicos en habitaciones diferentes tocan la misma nota. El sonido debe ser tan idéntico que el oyente no pueda distinguir quién toca. En el mundo cuántico, el papel de esos músicos lo desempeñan las fuentes de fotones individuales: partículas de luz que deben ser indistinguibles entre sí.

Un láser común emite líneas estrechas, como una cuerda que suena en una sola nota. Para la espectroscopía esto es incómodo: si una sustancia absorbe luz entre las líneas, puede pasar desapercibida.

La llama de una vela tiembla con la corriente de aire, pero no se apaga: la lengüeta solo cambia de forma por un instante y vuelve. Más o menos así se comportan los skyrmiones ópticos — diminutos vórtices en el campo del haz, que recuerdan a remolinos de agua. Hasta hace poco, solo se obtenían en luz láser ideal y uniforme.

Una piedra cae en un estanque. Las ondas se expanden, se atenúan, y pronto la superficie vuelve a estar lisa. Pero, ¿y si el estanque no tuviera orillas, ni fondo, ni siquiera un tamaño de onda característico? En ese mundo —un mundo sin escala— viven los sistemas cuánticos cuando están rodeados por un entorno que no distingue ninguna longitud ni energía.

Los átomos en un haz viajan a diferentes velocidades, como corredores en un estadio. Un pulso láser ordinario empuja solo a aquellos que corren a una misma velocidad, pero el nuevo actúa como un entrenador que da órdenes a todo el grupo a la vez. Este enfoque involucra a más átomos en la medición.

Un punto cuántico es como una lámpara individual que se enciende y se apaga a la orden de un láser, emitiendo exactamente un fotón a la vez. Pero esta luz tiene una peculiaridad: los fotones no se llevan bien entre sí, vuelan independientes, como gotas al azar de un grifo.

La luz ordinaria es como una multitud en una plaza: cada fotón se mueve por su cuenta, chocando y dispersándose. Pero en algunos medios, los fotones, como una jauría de perros, comienzan a correr juntos: se agrupan. Los científicos han creado un láser de fibra aleatoria donde las partículas de luz se reúnen en bandadas especialmente densas.

En un resonador superconductor, la luz no solo se refleja: abraza al qubit con tanta fuerza que su danza conjunta ya no puede describirse con los libros de texto antiguos.

Un rayo láser estable es como una cuerda tensa: si vibra aunque sea un poco, la música se convierte en cacofonía. En una computadora cuántica, el láser mantiene los átomos atrapados, y cualquier vibración en la frecuencia rompe el cálculo. Por eso, antes, los montajes láser ocupaban mesas enteras y su ajuste tomaba semanas.

Dentro del cristal de nitruro de boro a veces aparecen defectos: lugares donde los átomos están desplazados o no ocupan su posición correcta. Uno de estos defectos, el centro B, es capaz de emitir luz: absorbe energía y la libera en forma de un único fotón. Es como una bombilla diminuta que solo se enciende cuando se le pide y no emite luz de más.

Dos relojes en habitaciones diferentes deben hacer tictac al unísono. Normalmente, para ello se envían pulsos brillantes o pares de fotones que llegan exactamente uno tras otro. Pero la señal puede ser tan débil que los fotones apenas llegan. En este trabajo, los relojes se sincronizaron con luz mil millones de veces más tenue de lo habitual.

Un láser común es como un coro donde cada uno canta por su cuenta: el sonido es fuerte, pero con asperezas inevitables. En el nuevo láser cuántico, los cantantes se escuchan entre sí y nivelan sus voces.

La luz solar es un torrente impetuoso que lleva pares inseparables de gotas. Así se ve el entrelazamiento cuántico: dos partículas están tan unidas que la vibración de una resuena instantáneamente en la otra. Antes, para crear estos pares se necesitaba un «remanso tranquilo»: un rayo láser perfectamente ajustado.

Un láser de electrones libres convencional se parece a un instrumento musical con una sola cuerda: solo puede tocar una nota hasta que se modifica su construcción. Para obtener otra longitud de onda, hay que reajustar los imanes o acelerar los electrones con más fuerza. Eso es caro y voluminoso.

La luz de una bombilla normalmente se dispersa en todas direcciones, y atraparla en varios canales en partes exactamente iguales es todo un rompecabezas. En el nuevo trabajo, la luz se divide en nueve haces idénticos sin una sola lente ni espejo. En su lugar, se usa una placa de vidrio con canales grabados que actúan como guías de onda, por los cuales la luz se distribuye de la manera deseada.

En el laboratorio, sobre la mesa, hay una trampa láser: una mano invisible que sostiene en el aire una esfera de vidrio del tamaño de una bacteria. Junto a ella, un resonador de espejos donde la luz rebota entre dos paredes reflectantes.

La luz de una sola molécula es como una voz solitaria en un coro inmenso. Para escucharla no basta un micrófono, sino un instrumento delicado que capture cada fotón y registre el momento de su llegada.

Un láser normal amplifica la luz hasta convertirla en un haz brillante. Si se invierte ese proceso, se obtiene un antiláser: un dispositivo que absorbe la luz por completo. Pero esta máquina es caprichosa: basta un ligero desorden para que la absorción falle. Los físicos han encontrado la manera de hacer que un antiláser sea invulnerable.

Un afinador de pianos en una sala ruidosa no escucha todos los sonidos por igual: distingue una sola cuerda entre decenas. Algo parecido hace el nuevo radar láser: entre los muchos rayos reflejados, encuentra los que contienen información sobre la vibración del objetivo. Un radar convencional envía un pulso corto y espera el eco.

Un láser de fibra con retroalimentación aleatoria es un hilo delgado de vidrio por el que viaja la luz, pero que no se refleja en espejos, sino en las mínimas irregularidades de la propia fibra. Este láser no emite un haz uniforme: su luz tiembla y parpadea como la llama de una vela con corriente de aire.

Los dispositivos cuánticos suelen mantenerse en criostatos, grandes termos donde la temperatura es más baja que en el espacio exterior. Un ion de erbio atrapado en una diminuta trampa sobre un chip de silicio rompe esta tradición.

Un puntero láser proyecta un punto uniforme: todas sus ondas de luz avanzan al paso, como soldados en un desfile. Esa luz se llama coherente. Pero en la naturaleza y en la técnica existe otra luz, la 'despeinada', cuyas ondas no están coordinadas, como una multitud en un mercado. Se la denomina parcialmente coherente.

Dentro de una diminuta cavidad reflectante, más pequeña que el grosor de un cabello, la luz queda atrapada y se refleja repetidamente en las paredes. Si se coloca allí una sustancia capaz de absorber y emitir luz, las partículas de luz (fotones) comienzan a "vestirse" con las excitaciones de la materia, dando lugar a los modos polaritónicos.

El Sol, con su gravedad, crea una copa invisible en la que la materia oscura de un tipo especial, ultraligera, no se agita caóticamente, sino que ocupa estrictos escalones energéticos, como capas transparentes de un líquido.

La luz de una misma fuente puede "encontrarse" consigo misma, y entonces en la pantalla aparecen franjas, como las ondas que se forman al lanzar dos piedras al agua. Los físicos llevan tiempo logrando esto con dos fotones, pero conseguir que cuatro partículas de luz se fusionen a la vez era difícil: las fuentes de fotones individuales perdían demasiadas partículas en el camino.

Un torniquete solo permite el paso hacia adelante, nunca hacia atrás. Un principio similar fue implementado por físicos en un diminuto chip semiconductor para fotones individuales (partículas de luz).

La luz común se dispersa en todas direcciones, pero los físicos la transformaron en algo parecido a una cinta transportadora: un flujo unidireccional que no retrocede. Para lograrlo, hicieron pasar dos haces contrarios a través de una nube de átomos de Rydberg, hinchados hasta el tamaño de una minúscula mota de polvo.

La luz solar, recogida con una lente de Fresnel y transmitida a través de 20 metros de fibra plástica, tenía una potencia de solo 3 microvatios, un millón de veces menor que la de un puntero láser típico. Esto fue suficiente para que en el cristal no lineal nacieran pares de fotones vinculados por su posición.