transición de fase superradiantemente

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.

En lo profundo de un cristal de diamante, salpicado de centros NV, dormita una sinfonía. Cada defecto es como un diapasón, listo para resonar con una onda acústica que pasa. Pero por separado, sus voces son apenas audibles: la interacción entre el espín y el fonón es más débil que un susurro.

Un surfista se desliza sobre la superficie del océano hasta que llega una gran ola, y entonces sale disparado hacia adelante. De manera similar, un electrón libre interactúa con la luz: normalmente el intercambio de energía es apenas perceptible, pero si el medio circundante comienza a cambiar rítmicamente, cada cresta de la onda empuja a la partícula con más fuerza.

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).

Un superconductor es como una autopista perfecta sin semáforos: los electrones se precipitan sin obstáculos. Pero basta con aplicar un voltaje para que el panorama cambie. En un nuevo experimento, los físicos descubrieron que el campo eléctrico penetra en el superconductor y crea en su interior un régimen mixto.

El mundo cuántico está lleno de sorpresas. En el oscilador Kerr paramétrico —un dispositivo donde la luz queda atrapada en un anillo y es excitada por un campo externo—, recientemente se observó algo extraño: los pares de niveles de energía se funden en un abrazo. Los físicos lo han llamado 'beso espectral' espectroscopía.

Una fuente de fotones convencional puede compararse con la entrada de una discoteca con un solo portero. Trata de dejar pasar a los visitantes de uno en uno, pero a veces se cuelan parejas. Los físicos llaman a esto el problema de la pureza: los fotones deben ir estrictamente uno tras otro, de lo contrario los cálculos cuánticos fallan.

En el mundo cuántico, la luz y la materia intercambian energía constantemente. Antes se describían de forma estática, como posturas congeladas. El nuevo enfoque sigue la danza misma: las transiciones entre estados, como un flujo continuo de movimientos.

La luz en una fibra óptica viaja por el núcleo sin apenas escapar al exterior. Pero si uno se acerca mucho, puede sentir un leve temblor del campo en la superficie: la onda evanescente.

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?

Un sobre postal ordinario tiene forma rectangular, y la carta en su interior no cambia las propiedades del sobre. Con los fotones, partículas de luz, la situación es diferente: su 'forma' en el tiempo puede variar, y esa forma en sí misma transporta información.

En una habitación oscura, un láser infrarrojo emite un destello y un trozo de polvo negro de K3C60, por una fracción de segundo, comienza a conducir corriente sin resistencia. La luz incide a una frecuencia de 10 terahercios, mil veces más rápida que la de un microondas.

El vacío cuántico no es un vacío, sino una cuerda tensa donde las partículas aparecen y desaparecen sin cesar. Un cambio brusco de condiciones —por ejemplo, el desplazamiento de los espejos de un microresonador— hace que la “cuerda” emita fotones reales.

En la pista de baile, la luz y los movimientos de los bailarines no están vinculados: las luces parpadean por separado, la gente se mueve por su cuenta. En el micromundo sucede igual: los electrones y los fotones apenas se sincronizan — es la prohibición de la superradiancia. Pero añade un ritmo pegadizo y la pista cobra vida. Los físicos utilizaron un campo magnético pulsante como ritmo.

Un estallido de rayos gamma es un destello de luz breve pero extremadamente potente, que se produce cuando se fusionan estrellas de neutrones o cuando colapsa una estrella masiva. Dentro de ese destello, chorros de plasma se mueven a velocidades enormes y chocan entre sí.

Un material magnético dentro de un horno de microondas no es el protagonista más obvio de un trabajo científico.

La luz que emite un átomo no es solo un destello: lleva la huella del estado en que se encontraba el átomo en el momento de la emisión. Los físicos tomaron un qubit superconductor —un átomo artificial del tamaño de un microchip— y lo hicieron brillar en una guía de ondas abierta, como una bombilla en un pasillo largo.

Un rayo láser en un cristal especial se convierte por sí solo en el «gato de Schrödinger», una mezcla de dos estados. Erwin Schrödinger ideó esta paradoja para un átomo, y ahora los físicos la observan en todo un flujo de fotones. La luz es como una compañía de soldados en la plaza de armas.

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.

En una habitación oscura, un átomo y la luz quedan encerrados juntos en una cajita de espejos. La cajita es tan pequeña que el átomo no puede simplemente soltar la luz: intercambian energía constantemente, como dos bailarines que no se sueltan las manos.

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.

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.

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.

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.

En un cristal de silicio, un átomo de fósforo mantiene un electrón extra en dos órbitas muy próximas. Estas órbitas se asemejan a dos pisos contiguos de un edificio, con una escalera casi imperceptible. Un breve pulso láser en el infrarrojo medio empuja al electrón desde el piso inferior al superior, y este comienza a balancearse entre ambos, como un péndulo.

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.

Un ion individual de calcio flota en una trampa de vacío, sostenido por campos eléctricos, como un guisante en un cuenco invisible. A su alrededor hay dos espejos que forman una cavidad óptica: la luz rebota entre ellos, intensificando la interacción con el ion.

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 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.

La luz ordinaria es un flujo de partículas independientes: los fotones se atraviesan unos a otros sin notar a sus vecinos. Pero en circuitos superconductores enfriados casi hasta el cero absoluto, la situación cambia. Allí, los fotones viajan por estrechos caminos de metal, y si en esos caminos se incrustan diminutos elementos llamados uniones de Josephson, la luz comienza a "sentirse" a sí misma.

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.

El óxido de vanadio es un material que puede ser aislante, sin conducir corriente, o conductor, como un metal. La conmutación tarda billonésimas de segundo, y sobre esto se quieren construir dispositivos electrónicos ultrarrápidos. Pero cómo ocurre exactamente fue durante mucho tiempo un misterio.

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.

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.