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Un nuevo campo científico: metamateriales cuánticos.

metamateriales

Créditos de las imagenes: Technion Spokesperson.

El innovador experimento de aplicar metamateriales a la óptica cuántica allana el camino para un nuevo área interdisciplinaria

Dos equipos de científicos de Israel han colaborado para llevar a cabo una investigación pionera.

Esto ha conducido al desarrollo de un campo científico nuevo e innovador: Metamateriales Cuánticos. Los hallazgos se presentan en un nuevo documento conjunto publicado por la prestigiosa revista Science.

Los metamateriales son materiales fabricados artificialmente, formados por numerosas estructuras artificiales a nanoescala. Están diseñados para responder a la luz de diferentes maneras. Las metasuperficies son la versión bidimensional de los metamateriales. Son superficies extremadamente delgadas formadas por numerosas nano-antenas ópticas de longitud de onda inferior. Cada una es diseñada para cumplir una función específica en la interacción con la luz.

El estudio fue realizado conjuntamente por el distinguido profesor Mordechai Segev, del Technion en colaboración con el Prof. Erez Hasman. Ambos grupos también están afiliados al Russell Berrie Nanotechnology Institute (RBNI).

Un nuevo campo científico:

Los investigadores han demostrado por primera vez que es posible aplicar metamateriales en el campo de la información cuántica y la informática. Esto allana el camino para numerosas aplicaciones prácticas que incluyen, el desarrollo de encriptaciones inviolables.

Se abre la puerta del mismo modo a nuevas posibilidades para sistemas de información cuántica en un chip.

Hasta la fecha, la experimentación con metamateriales se ha limitado ampliamente a manipulaciones usando luz clásica. Ahora los investigadores de Technion han demostrado por primera vez que es experimentalmente factible usar metamateriales como los bloques de construcción para la óptica cuántica y la información cuántica. Más específicamente, los investigadores han demostrado el uso de metamateriales para generar y manipular enredos. Esta es la característica más importante de cualquier esquema de información cuántica.

 
“Lo que hicimos en este experimento es llevar el campo de los metamateriales al ámbito de la información cuántica”, dice Segev.

Con la tecnología actual, uno puede diseñar y fabricar materiales con propiedades electromagnéticas que son casi arbitrarias.

Por ejemplo, uno puede diseñar y fabricar una capa de invisibilidad que puede ocultar pequeñas cosas del radar, o uno puede crear un medio donde la luz se dobla hacia atrás.

Pero hasta ahora todo esto se hizo con luz clásica. Lo que mostramos aquí es cómo aprovechar las excelentes capacidades de los materiales artificiales diseñados por nano para generar y controlar la luz cuántica”.

“El componente clave aquí es una meta-superficie dieléctrica”, dice Hasman.

“Este que actúa de forma diferente a la luz polarizada de izquierda y derecha. Así se impone frentes de fase opuestos que parecen tornillos o vórtices. Uno en sentido horario y uno en sentido antihorario.

La meta-superficie debía ser nano-fabricada a partir de materiales transparentes. De lo contrario, si hubiéramos incluido metales, como en la mayoría de los experimentos con metamateriales, las propiedades cuánticas se destruirían”.

Metamateriales cuánticos, video

 

 

“Este proyecto comenzó en la mente de dos estudiantes: Tomer Stav y Arkady Faerman.

Ellos propusieron la idea innovadora. El proyecto conduce a muchas direcciones nuevas que plantean cuestiones fundamentales. Por ejemplo nuevas posibilidades para aplicaciones, como crear sistemas de información cuántica en un chip y controlar las propiedades cuánticas en el diseño”.

En su investigación, los científicos realizaron dos series de experimentos para generar enredos entre el giro y el momento angular orbital de los fotones.

Los fotones son las partículas elementales que componen la luz. Tienen masa cero, viajan a la velocidad de la luz y normalmente no interactúan entre sí.

Metamateriales cuánticos, experimentos.

En los experimentos, los investigadores primero iluminaron un rayo láser a través de un cristal no lineal para crear pares de fotones individuales.

Cada uno caracterizado por un impulso orbital cero y cada uno con polarización lineal. Un fotón en polarización lineal significa que es una superposición de polarización circular diestro y zurdo, que corresponde a un giro positivo y negativo.

En el primer experimento, los científicos procedieron a dividir los pares de fotones, dirigiéndolo a través de una meta-superficie fabricada. Y el otro a un detector para señalar la llegada del otro fotón. Luego midieron el fotón individual que pasaba a través de la meta-superficie. De este modo encontrar que había adquirido impulso angular orbital (OAM). Y que el OAM se había enredado con el giro.

En el segundo experimento, los pares de fotones individuales pasaron a través de la meta-superficie. Luego se midieron usando dos detectores para mostrar que se habían enredado.

El giro de un fotón se ha correlacionado con el momento angular orbital del otro fotón, y viceversa.

El enredo básicamente significa que las acciones realizadas en un fotón afectan simultáneamente al otro, incluso cuando se propaga a grandes distancias.

En mecánica cuántica, se cree que los fotones existen en estados de giro positivos y negativos, pero una vez medidos adoptan un solo estado. Esto se explica mejor mediante una simple analogía: tomar dos cajas con dos bolas adentro: una roja y una azul.

Si las cajas no están enredadas, puedes meter la mano en la caja y sacar una bola roja o azul. Sin embargo, si las cajas se enredaran, entonces la bola dentro de la caja podría ser roja o azul. Pero solo se determinará en el momento en que se observe la bola en una caja, determinando simultáneamente el color de la bola en la segunda. Esta historia fue relatada inicialmente por el famoso Premio Nobel Erwin Schroedinger. El escenario mostraba un gato en una caja, donde el gato está vivo y muerto hasta que se abre la caja.

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