De acuerdo con las leyes de la física cuántica, los átomos pueden estar en diferentes estados. Cuando el átomo absorbe energía, se encuentra en un llamado estado de excitación. Cuando vuelve a un estado de energía inferior, la energía se libera nuevamente en forma de un fotón. Esto generalmente ocurre por accidente, en un momento completamente impredecible.

Sin embargo, si varios átomos están lo suficientemente cerca, puede ocurrir un efecto cuántico interesante: uno de los átomos emite espontánea y aleatoriamente un fotón, afectando así a todos los demás átomos excitados en su vecindad. Muchos de ellos liberan su exceso de energía en el mismo momento, produciendo un intenso destello cuántico de luz. Este fenómeno se llama “súper radiancia”.

Prueba experimental

Aunque la llamada súper radiancia fue predicha teóricamente ya en la década de 1950, nunca ha podido ser demostrada experimentalmente. La razón: la súper radiancia sólo es posible si se recopilan los átomos en una región que sea significativamente menor que la longitud de onda de los fotones.

Pero investigadores de la Universidad Tecnológica de Viena han logrado superar este problema. Para hacerlo, utilizaron un sistema cuántico en el que han estado trabajando por años: pequeños defectos incorporados en los diamantes.

Los diamantes comunes constan de una grilla regular de átomos de carbono; pero los investigadores incorporaron deliberadamente defectos en esa red. En ciertos puntos, en lugar de un átomo de carbono, colocaron un átomo de nitrógeno, y el punto adyacente en la retícula del diamante se desocupó.

Para la súper radiancia, lo decisivo es la excitación de estos defectos reticulares: reaccionan a las microondas y, por lo tanto, a la radiación con una longitud de onda particularmente grande.

Destello de fotones

El experimento tuvo éxito: cuando los investigadores irradiaron su diamante con pulsos de microondas, primero llevaron el sistema a un estado metaestable y alrededor de 300 nanosegundos después de que se apagaba la excitación por microondas, se observó un destello de fotones que se disparó desde el centro del diamante.

Tal flash sólo podría haber sido causado por efecto de la súper radiancia.

Al respecto, el investigador Andreas Angerer, afiliado al Centro de Ciencia y Tecnología Cuántica de Viena y coautor del hallazgo, comentó:

“Este pulso de súper radiancia fue emitido un billón de veces más rápido que la descarga normal de un defecto en el retículo de vacancia de nitrógeno. Por lo tanto, ahora también se ha probado experimentalmente el fenómeno cuántico en un estado sólido y también podría encontrar aplicaciones bastante prácticas en el futuro.”

Los autores indican que la súper radiancia desempeña un papel prominente en la óptica, donde, por ejemplo, puede permitir el desarrollo de nuevos láseres con espesores de haz súper delgado. Este trabajo proporciona la base para futuras tecnologías cuánticas, incluidos los láseres de estado sólido súper radiantes.

Referencia: Superradiant emission from colour centres in diamond. Nature Physics, 2018. https://doi.org/10.1038/s41567-018-0269-7

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