Los físicos del MIT han diseñado un "exprimidor de luz" cuántico que reduce el ruido cuántico en un rayo láser entrante en un 15 por ciento. Es el primer sistema de este tipo que funciona a temperatura ambiente, lo que lo hace apto para una configuración compacta y portátil quese puede agregar a experimentos de alta precisión para mejorar las mediciones con láser donde el ruido cuántico es un factor limitante.
El corazón del nuevo exprimidor es una cavidad óptica del tamaño de una canica, alojada en una cámara de vacío y que contiene dos espejos, uno de los cuales es más pequeño que el diámetro de un cabello humano. El espejo más grande está parado mientras que el otro es móvil,suspendido por un voladizo de resorte.
La forma y composición de este segundo espejo "nanomecánico" es la clave para la capacidad del sistema de trabajar a temperatura ambiente. Cuando un rayo láser entra en la cavidad, rebota entre los dos espejos. La fuerza impartida por la luz hace que el nanomecánicoel espejo se balancea hacia adelante y hacia atrás de una manera que permite a los investigadores diseñar la luz que sale de la cavidad para tener propiedades cuánticas especiales.
La luz láser puede salir del sistema en un estado comprimido, que puede usarse para realizar mediciones más precisas, por ejemplo, en computación cuántica y criptología, y en la detección de ondas gravitacionales.
"La importancia del resultado es que puedes diseñar estos sistemas mecánicos para que a temperatura ambiente, aún puedan tener propiedades mecánicas cuánticas", dice Nergis Mavalvala, el profesor de mármol y jefe asociado de física en el MIT. "Eso cambia eljuego completamente en términos de poder utilizar estos sistemas, no solo en nuestros propios laboratorios, alojados en grandes refrigeradores criogénicos, sino en todo el mundo ".
El equipo ha publicado sus resultados en la revista Física de la naturaleza . La autora principal del artículo es Nancy Aggarwal, ex estudiante de posgrado de física en el Laboratorio MIT LIGO, ahora postdoctorado en la Universidad de Northwestern. Otros coautores del artículo junto con Mavalvala son Robert Lanza y Adam Libson en el MIT; Torrey Cullen, Jonathan Cripe y Thomas Corbitt de Louisiana State University; y Garrett Cole, David Follman y Paula Heu de Crystalline Mirror Solutions en Santa Bárbara, California.
Un "showtopper" frío
Un láser contiene multitudes de fotones que fluyen en ondas sincronizadas para producir un haz de luz brillante y enfocado. Sin embargo, dentro de esta configuración ordenada, hay un poco de aleatoriedad entre los fotones individuales de un láser, en forma de fluctuaciones cuánticas,también conocido en física como "ruido de disparo"
Por ejemplo, el número de fotones en un láser que llegan a un detector en un momento dado puede fluctuar alrededor de un número promedio, de una manera cuántica que es difícil de predecir. Del mismo modo, el momento en que un fotón llega a un detector, relacionado con su fase, también puede fluctuar alrededor de un valor promedio.
Ambos valores, el número y el tiempo de los fotones de un láser, determinan con qué precisión los investigadores pueden interpretar las mediciones con láser. Pero de acuerdo con el principio de incertidumbre de Heisenberg, uno de los principios fundamentales de la mecánica cuántica, es imposible medir simultáneamentetanto la posición o sincronización como el momento o número de partículas al mismo tiempo con absoluta certeza.
Los científicos trabajan en torno a esta restricción física mediante la compresión cuántica: la idea de que la incertidumbre en las propiedades cuánticas de un láser, en este caso el número y la sincronización de los fotones, se puede representar como un círculo teórico. Un círculo perfectamente redondo simboliza la misma incertidumbre enambas propiedades: una elipse, un círculo comprimido, representa una incertidumbre menor para una propiedad y una incertidumbre mayor para la otra, dependiendo de cómo se manipula el círculo y la proporción de incertidumbre en las propiedades cuánticas de un láser.
Una forma en que los investigadores han llevado a cabo la compresión cuántica es a través de sistemas optomecánicos, diseñados con partes, como los espejos, que pueden moverse en un pequeño grado por la luz láser entrante. Un espejo puede moverse debido a la fuerza que le aplican los fotones queforman la luz, y esa fuerza es proporcional a la cantidad de fotones que golpean el espejo en un momento dado. La distancia que el espejo se movió en ese momento está conectada a la sincronización de los fotones que llegan al espejo.
Por supuesto, los científicos no pueden conocer los valores precisos tanto para el número como para el tiempo de los fotones en un momento dado, pero a través de este tipo de sistema pueden establecer una correlación entre las dos propiedades cuánticas, y así reducir la incertidumbre y el láserruido cuántico general.
Hasta ahora, la compresión optomecánica se ha realizado en configuraciones grandes que deben alojarse en congeladores criogénicos. Esto se debe a que, incluso a temperatura ambiente, la energía térmica circundante es suficiente para tener un efecto en las partes móviles del sistema, causando un "temblor""que abruma cualquier contribución del ruido cuántico. Para protegerse del ruido térmico, los investigadores han tenido que enfriar los sistemas a unos 10 Kelvin, o -440 grados Fahrenheit".
"En el momento en que necesita enfriamiento criogénico, no puede tener un exprimidor portátil y compacto", dice Mavalvala. "Eso puede ser un espectáculo espectacular, porque no puede tener un exprimidor que viva en un refrigerador grande, y luego usaren un experimento o algún dispositivo que opera en el campo "
Dando un ligero apretón
El equipo, liderado por Aggarwal, buscó diseñar un sistema optomecánico con un espejo móvil hecho de materiales que intrínsecamente absorben muy poca energía térmica, para que no necesiten enfriar el sistema externamente. Finalmente diseñaron un sistema muy pequeño, 70-espejo de varios micrómetros de capas alternas de arseniuro de galio y arseniuro de aluminio y galio. Ambos materiales son cristales con una estructura atómica muy ordenada que evita que se escape el calor entrante.
"Los materiales muy desordenados pueden perder energía fácilmente porque hay muchos lugares donde los electrones pueden golpearse y colisionar y generar movimiento térmico", dice Aggarwal. "Cuanto más ordenado y puro es un material, menos lugares tiene para perder o disipar energía."
El equipo suspendió este espejo multicapa con un voladizo pequeño de 55 micras de largo. El voladizo y el espejo multicapa también se han moldeado para absorber la energía térmica mínima. Tanto el espejo móvil como el voladizo fueron fabricados por Cole y sus colegas de CrystallineSoluciones espejo, y se coloca en una cavidad con un espejo estacionario.
El sistema se instaló luego en un experimento con láser construido por el grupo de Corbitt en la Universidad Estatal de Louisiana, donde los investigadores realizaron las mediciones. Con el nuevo exprimidor, los investigadores pudieron caracterizar las fluctuaciones cuánticas en el número de fotones en función de su tiempo,a medida que el láser rebotaba y se reflejaba en ambos espejos. Esta caracterización permitió al equipo identificar y, por lo tanto, reducir el ruido cuántico del láser en un 15 por ciento, produciendo una luz "exprimida" más precisa.
Aggarwal ha elaborado un plan para que los investigadores adopten el sistema a cualquier longitud de onda de luz láser entrante.
"A medida que los exprimidores optomecánicos se vuelven más prácticos, este es el trabajo que lo inició", dice Mavalvala. "Demuestra que sabemos cómo fabricar estos exprimidores agnósticos de longitud de onda a temperatura ambiente. A medida que mejoramos el experimento y los materiales, 'haré mejores exprimidores "
Esta investigación fue financiada, en parte, por la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por Jennifer Chu. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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