superradiance

El resplandor azul en el agua alrededor de un reactor nuclear es luz que nace cuando una partícula cargada supera a la luz en ese medio. El efecto fue descubierto por Pável Cherenkov en 1934, y la teoría fue desarrollada por Ígor Tamm e Iliá Frank.

Una peonza gira tan rápido que el aire a su alrededor comienza a moverse al unísono. Algo similar hace un agujero negro: si rota, puede transferir su energía a las partículas que se encuentren cerca. Este proceso se llama superradiancia — se parece a un eco en las montañas, pero en lugar de sonido, se crean nuevas partículas.

En una fila apretada de átomos, separados por distancias menores que la longitud de onda de la luz, se esconde un estado asombroso. La excitación se reparte entre todas las partículas de tal manera que su radiación se anula a sí misma.

Un coro en el que cada cantante entona perfectamente suena más fuerte de lo que se esperaría de la simple suma de voces. Cien personas no cantan cien veces más fuerte que una, sino diez mil veces más. En el mundo atómico ocurre algo similar. En lo que se conoce como comportamiento colectivo, descubierto por Robert H.

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.

Una cuerda suena perfectamente limpia hasta que una corriente de aire la roza. Más o menos así funciona el láser superradiant: un haz de átomos, previamente cargados de energía, atraviesa una habitación de dos espejos — el resonador óptico (una trampa donde la luz rebota de un lado a otro).

Si un agujero negro gira rápidamente, puede retener a su alrededor una nube de partículas ultraligeras, tan ligeras que su masa casi desaparece. Juntas se organizan en capas, como los electrones en un átomo, pero en lugar de fuerzas eléctricas, actúa la gravedad. Esta estructura acumula energía como un resorte tensado.

Los fuelles de herrero avivan el fuego expulsando aire bruscamente. En el espacio, ese papel lo desempeña la onda de choque de una supernova — concepto introducido por Fritz Zwicky: alcanza la gigantesca burbuja de partículas cargadas y campos magnéticos formada alrededor de una estrella…

Un telémetro común envía un solo pulso de luz y espera su regreso, como una persona que grita al vacío y escucha el eco. Pero si se encienden varias fuentes que brillan al unísono y se analiza no el volumen, sino el ritmo del diálogo de los destellos reflejados, la imagen se vuelve más nítida.

Los físicos propusieron un experimento: el haz láser actúa como detector cuántico y se divide en dos haces-oreja. Cada oreja se dirige a través de una diminuta nube de átomos ultrafríos —en ese estado los átomos se funden en una sola onda.

Cuando muchos átomos excitados se reúnen, a menudo disparan luz de manera coordinada, como una multitud que aplaude al unísono. Este fenómeno, conocido desde hace tiempo, se llama superradiancia de Dicke. Pero los autores del nuevo trabajo se preguntaron: ¿qué ocurre si los átomos no son idénticos y cada uno siente a sus vecinos?

Una piedra cae en un estanque: cerca de la orilla los círculos son casi imperceptibles, pero junto al punto de impacto el agua hierve. Algo similar ocurre con el campo eléctrico alrededor de una carga: de cerca es abrupto y enmarañado, pero a distancia se estira en una onda uniforme que transporta energía.

Un flash fotográfico normal se congela en centésimas de segundo, pero para los átomos eso es una eternidad. Dentro de las moléculas, los electrones saltan en attosegundos: milmillonésimas de milmillonésima de segundo. Para capturar algo así se necesita un pulso de luz más corto que el propio evento.

Un haz de electrones en un acelerador se parece a una bandada de pájaros: vuela en grupo compacto, pero con el tiempo se dispersa. Para mantener las partículas juntas, normalmente se utilizan imanes pesados. Aquí se prescindió de ellos: el haz se comprimió a sí mismo.

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.

Una computadora cuántica es como una orquesta, donde cada cúbit es un músico que toca su parte. Pero de vez en cuando irrumpe un rayo cósmico en la sala, y el violinista se sobresalta y pierde el ritmo. Estas partículas del espacio profundo atraviesan el chip, expulsan electrones extra y estropean la frágil música cuántica.

Los físicos encerraron una nube de átomos de litio entre espejos. La luz rebota en su interior, como en una sala de ecos, forzando a los átomos a emitir sincrónicamente: se produce superradiancia, similar a un coro donde las voces se fusionan en un único estruendo.

Una bandada de luciérnagas en un bosque nocturno parpadea al azar: cada insecto destella por su cuenta y la luz se dispersa por igual en todas direcciones. Ahora imagina que las luciérnagas se pusieran de acuerdo para parpadear de modo que su luz conjunta se dirigiera solo hacia el norte, aunque ellas permanecieran quietas y ninguna se girara.

En dos salas de espejos perpendiculares entre sí vive una nube de átomos. Cada átomo es como un cantante en un coro: por sí solo puede permanecer en silencio, pero cuando los vecinos comienzan a cantar, él se une.

La punta de un microscopio de efecto túnel se acerca tanto a la superficie de un cristal que entre ambos salta una corriente eléctrica. Los electrones de la aguja se inyectan en un semiconductor estratificado y caen en una vacante atómica: un lugar donde falta un átomo en la red.

Un rayo láser normalmente viaja en línea recta, como un chorro de agua de una manguera. Pero, ¿y si retorcemos ese chorro como la espiral de un sacacorchos? Obtendríamos un resorte de luz: un haz que, además de avanzar, gira alrededor de su propio eje.

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 de los diminutos cristales de perovskita es como la actuación de un coro, donde las voces suenan unas veces solas y otras en un dúo armonioso. Antes, ese dúo solo podía escucharse con un enfriamiento extremo, casi hasta el frío del espacio. Ahora, el coro canta a temperatura ambiente.

Muchos átomos pueden actuar como una orquesta coordinada: si cada uno emite luz al unísono con los demás, el destello resulta muchas veces más brillante. Esto es la superradiancia, un fenómeno bien estudiado en laboratorios, pero casi no se había buscado en el espacio.

La luz de muchos emisores diminutos —átomos o "puntos cuánticos" artificiales— normalmente se dispersa en todas direcciones, como una multitud donde cada uno grita por su cuenta. Pero si se les hace "cantar en coro", el destello se vuelve muchas veces más brillante.

Una fuente de luz individual en una capa fina de nitruro de boro parpadea y se apaga en un par de nanosegundos. Se pueden crear muchas de estas fuentes en el material, pero cada una funcionaba por su cuenta durante mucho tiempo. En el nuevo trabajo, se logró que brillaran juntas, como músicos tocando al unísono.

La luz de una lámpara común es un caos: los fotones salen disparados en todas direcciones, sin orden alguno. Pero si se consigue que muchos átomos emitan luz simultáneamente y al unísono, se obtiene un destello corto y potente, como los aplausos que de palmadas individuales se convierten en una salva única. Esta emisión coordinada se llama superradiancia.

Un láser común emite fotones de uno en uno, como un grifo que gotea. ¿Y si necesitas varias partículas de luz que nazcan en el mismo instante? Los físicos han logrado que una nube de átomos fríos de rubidio emita cuartetos de fotones, como si el grifo soltara cuatro gotas a la vez, cada una cayendo en su propio tubo de ensayo.

Una cadena de átomos en un chip fotónico se comporta como una hilera de péndulos en una barra común: al oscilar en direcciones opuestas, apenas transmiten energía al aire y permanecen quietos durante mucho tiempo.

Los átomos ultrafríos pueden comportarse como un todo. Si en una nube así nace un нейтрино, normalmente se escapa sin ser notado.

La superfluorescencia es la exhalación sincronizada de luz de un cristal. Los investigadores acaban de presenciar su imagen especular: la superabsorción, una inhalación coordinada. Bombardearon nanocristales de perovskita baratos con pulsos láser (spectroscopy) y vieron un estallido de absorción en reversa temporal.

Los átomos, como un enjambre de luciérnagas, brillan al unísono. Cuando destellan simultáneamente, la luz se amplifica enormemente: cien átomos brillan diez mil veces más que uno solo. Los físicos han convertido este truco en un motor térmico. Un motor común necesita una fuente caliente y otra fría, pero aquí los átomos funcionan solo con una fría.

En 1976, el físico canadiense Bill Unruh planteó una pregunta sencilla: ¿qué ve un observador que se acelera en el vacío? La respuesta resultó extraña: el vacío deja de estar vacío. El observador acelerado se baña en radiación térmica con una temperatura proporcional a la aceleración.

La emisión espontánea —ese mismo proceso que enciende lámparas y estrellas— ha sido considerada durante mucho tiempo en la física cuántica como un ruido molesto. Esta cacofonía de fotones aleatorios destruye sin piedad el frágil entrelazamiento cuántico, como el crujido de interferencias en una radio ahoga una melodía lejana.