Partículas de luz en pareja

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El punto cuántico - una especie de átomo artificial - se enfría en un criostato a una temperatura cercana al cero absoluto. A través de un láser se generan pares de fotones y se recogen con un objetivo de microscopio. (© Oana Popa/PR/TU Berlín)

Físicos del grupo de trabajo en Optoelectrónica y Elementos Cuánticos de Prof. Dr. Stephan Reitzenstein desarrollan una novedosa fuente de luz cuántica para la generación de pares de fotones gemelos / Publicación en Nature Communications.

La física cuántica es, entre otras cosas, tan difícil de entender porque la investigación correspondiente suele desarrollarse en un microcosmos de átomos, electrones y fotones individuales — es decir, no es tangible para el ojo humano. Sin embargo, ahora se sabe que los efectos cuánticos también tienen impacto en el mundo macroscópico. Así, la investigación ha demostrado que las células visuales del ojo de una rana, las llamadas células bastón, incluso pueden registrar un solo fotón. Investigadores de Singapur pudieron demostrar que, incluso con la misma intensidad de diferentes tipos de luz (es decir, la misma cantidad de fotones por unidad de tiempo), las células bastón del ojo detectan una diferencia entre luz clásica y luz cuántica. Esto permite aplicaciones interdisciplinarias completamente nuevas para las fuentes de luz cuántica en la biología cuántica, la intersección entre física cuántica y biología, que por ahora todavía suenan como ciencia ficción.

Mientras que la investigación en el campo de la óptica cuántica hasta ahora se centraba principalmente en la investigación fundamental, en los últimos años también se han logrado avances significativos en la generación de estados de luz no clásicos y, por tanto, en dirección a aplicaciones innovadoras. Sin embargo, el desarrollo de las correspondientes fuentes de luz cuántica sigue siendo un gran desafío: "Incluso la fabricación definida de una fuente de un solo fotón — que podría usarse, entre otras cosas, para el desarrollo de sistemas de transmisión de datos seguros contra escuchas — todavía es hoy en día tecnología de punta", explica el Dr. Tobias Heindel, colaborador del grupo de trabajo de Prof. Dr. Stephan Reitzenstein en el área de Optoelectrónica y Elementos Cuánticos en la TU Berlín, sobre el estado actual de la tecnología.

El equipo de investigación de este grupo ha logrado por primera vez producir una fuente de luz cuántica basada en puntos cuánticos semiconductores que puede generar pares de fotones idénticos — llamados pares de fotones gemelos. El Dr. Tobias Heindel, Alexander Thoma y otros miembros del grupo utilizaron para ello un elemento cuántico altamente optimizado bajo la dirección del profesor Reitzenstein. "En los últimos años, en el grupo de trabajo se desarrolló una técnica especial, única en el mundo, la litografía de haz de electrones in situ en 3D, en la que se posiciona una microlente exactamente sobre un punto cuántico de unos pocos nanómetros (1 nm equivale a una millonésima de milímetro). Este punto cuántico puede emitir fotones a pulsos, que son dirigidos en una dirección específica por la microlente especial y, por tanto, pueden ser detectados", explica Tobias Heindel. Con ayuda de métodos de medición especializados, los investigadores pudieron aislar un punto cuántico hasta ahora único, capaz de emitir pares de fotones gemelos. "Nuestro próximo objetivo es desarrollar un método mediante el cual cualquier punto cuántico pueda convertirse en una fuente de luz de pares de fotones gemelos". La fabricación de estos elementos cuánticos fue posible gracias a la excelente infraestructura del Centro de Nanofotónica en la TU Berlín.

"A otros grupos de trabajo también les ha sido posible ya generar pares de fotones gemelos basados en átomos naturales o cristales no lineales", comenta Heindel. Sin embargo, la gran ventaja de la fuente de fotones gemelos de Berlín basada en puntos cuánticos radica en que los pares de fotones pueden emitirse casi a pulsos. En combinación con la estructura de microlentes, se genera así una fuente de fotones especialmente brillante. "Nuestro enfoque permite aumentar en un factor cinco la cantidad de pares de fotones gemelos generados por el componente", informa Heindel. Para detectar directamente los pares de fotones emitidos, los físicos, en colaboración con la Oficina de Física Técnica Federal de Berlín, utilizaron un detector superconductivo de alta sensibilidad, capaz de detectar la cantidad de fotones en un pulso de luz.

Los trabajos sobre esta novedosa fuente de luz cuántica se realizaron en el marco del Área de Investigación Especial 787 "Nanofotónica de semiconductores" y del proyecto VIP del BMBF "QSOURCE". Se publicaron en la edición actual de la prestigiosa revista especializada Nature Communications. *

* Heindel, T. et al. Una fuente brillante de fotones gemelos activada en estado sólido.
Nat. Commun. 8, 14870 doi: 10.1038/ncomms14870 (2017).