Investigadores de ETH Zürich (Suiza) han transformado un microchip láser que emite una única frecuencia (o color) de luz en uno que emite luz en una amplia gama de frecuencias. El nuevo dispositivo de peine óptico, que funciona gracias a un proceso conocido como paseo cuántico, podría utilizarse para fabricar sensores ópticos miniaturizados para monitorización ambiental y médica y para aumentar las velocidades de transmisión de datos en telecomunicaciones.
Dirigido por el físico Jérôme Faist, la investigadores de ETH Comenzó con un láser de cascada cuántica integrado en un microchip. Este dispositivo consta de una estructura de microanillos formada por capas de arseniuro, galio, indio y aluminio. El anillo confina y guía la luz y, cuando se conecta a una fuente directa de corriente eléctrica, los electrones que contiene son estimulados para saltar rápidamente a través de las diferentes capas, emitiendo una cascada de fotones. A medida que los fotones circulan por el anillo, se multiplican y producen una luz láser coherente con una única frecuencia.
Faist y sus colegas descubrieron que si excitan este sistema con una corriente alterna adicional que oscila a una determinada frecuencia de resonancia, la luz emitida pasa de ser de un solo color a múltiples colores en un espacio de apenas unos nanosegundos. En particular, antes de estabilizar su forma final, el espectro de la luz emitida se asemeja al movimiento de la llamada caminata cuántica.
El paseo cuántico de un láser
Propuesta por primera vez por el físico y premio Nobel Richard Feynman, la caminata cuántica es muy diferente de la caminata aleatoria clásica comúnmente utilizada para modelar el comportamiento de sistemas físicos que van desde las fluctuaciones de los mercados bursátiles hasta el movimiento browniano de los granos de polen en la superficie de un líquido. El paseo aleatorio clásico funciona como un excursionista perdido que elige sus próximos pasos según el lanzamiento de una moneda. Si la moneda cae en cara, por ejemplo, el excursionista podría dar un paso hacia la izquierda, mientras que cruz podría requerir un paso hacia la derecha. Después de muchos lanzamientos de moneda, la posición del excursionista será aleatoria, pero probablemente cerca de su punto de partida.
En una caminata cuántica, por el contrario, una partícula cuántica se mueve efectivamente en ambas direcciones al mismo tiempo después de cada lanzamiento, adoptando una superposición coherente de derecha e izquierda. Esto significa que siempre hay varios caminos posibles que la partícula puede tomar para llegar a su posición final.
Un espectro óptico en forma de peine
En el nuevo dispositivo, este paseo cuántico tiene un resultado notable. "Los diferentes colores (o frecuencias) añaden energía a la luz emitida y crean un espectro óptico en forma de peine", explica Faist. "Las frecuencias ópticas son equidistantes entre sí y su número se selecciona mediante la frecuencia y amplitud de la señal eléctrica oscilante enviada al láser".
La caminata aleatoria cuántica pone un límite a la superposición
En cuanto a las aplicaciones, los investigadores dicen que los sensores ópticos miniaturizados para la monitorización médica y ambiental son una posibilidad. A largo plazo, Faist añade que estos dispositivos podrían aumentar la velocidad de transmisión de datos para las comunicaciones ópticas, ya que cada color de luz que emite el láser (hasta 100 colores en total) podría servir como un canal de comunicación independiente.
Los investigadores informan sus hallazgos en Ciencia:.
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- Fuente: https://physicsworld.com/a/laser-light-goes-for-a-quantum-walk-in-a-microchip/
