La luz de vacío comprimido brillante interactúa fuertemente con la materia, pudiendo incluso generar armónicos de alto orden con propiedades cuánticas. Investigaciones anteriores, sin embargo, solo habían considerado su interacción con un solo átomo.
Ahora, investigadores del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) en Castelldefels, Barcelona, y colaboradores han estudiado cómo la luz de vacío comprimido brillante se propaga a través de un medio lleno de átomos de argón, qué efectos de decoherencia se producen y cómo se puede conseguir minimizarlos.
Los pulsos de luz más cortos logrados hasta la fecha duran solo unos pocos attosegundos. Son tan increíblemente cortos que la mente humana tiene dificultades para imaginarlos. Un attosegundo es una millonésima de una millonésima de millonésima de segundo, es decir, una trillonésima de segundo. Un attosegundo es a un segundo lo que un segundo es al tiempo transcurrido desde el nacimiento del universo.
Precisamente la extraordinaria brevedad de esos pulsos de luz es lo que permite su utilización para investigar procesos extremadamente rápidos, omnipresentes en la vida en la Tierra; procesos que ocurren cuando se desarrollan reacciones químicas o cuando las moléculas biológicas se transfieren energía entre sí.
La generación de altos armónicos (la generación de armónicos de alto orden de un pulso de luz cuando este es absorbido por un átomo) es el precursor físico que permite generar los pulsos de luz más cortos a día de hoy. Si bien la generación de altos armónicos ha sido ampliamente estudiada cuando se impulsa mediante una fuente de luz clásica, recientemente se ha demostrado que la luz cuántica también tiene esta capacidad. Pero, ¿permanece esta cuanticidad después de la generación de armónicos? Esa es una de las preguntas más importantes que se investigan actualmente.
Existen muchos tipos diferentes de luz cuántica, cada una con propiedades distintas. La luz de vacío comprimido brillante es especialmente interesante porque, como su propio nombre indica, presenta compresión (una característica puramente cuántica que reduce el ruido en un observable (por ejemplo, la posición) a expensas de aumentar el ruido en su conjugado (el momento)) y, al mismo tiempo, está constituida por un alto número de fotones. Por lo tanto, la luz de vacío comprimido brillante es adecuada para inducir interacciones fuertes entre luz y materia, como las necesarias para la generación de altos armónicos.
Hasta ahora, las investigaciones teóricas sobre la generación de altos armónicos impulsada por luz de vacío comprimido brillante solo habían considerado su interacción con un solo átomo. Pero para evaluar la aplicabilidad real de las fuentes de luz de vacío comprimido brillante se debe considerar un medio lleno de átomos; una situación que es mucho más realista. Este es precisamente el escenario que Maciej Lewenstein, Javier Rivera-Dean y Philipp Stammer del ICFO han investigado teóricamente, en colaboración con especialistas del Instituto de Estructura Electrónica y Láser en Creta, la Universidad Técnica de Viena en Austria, el Instituto Max Born de Óptica No Lineal y Espectroscopia de Corto Plazo en Alemania, el Instituto ELI ALPS de Hungría y el Centro de Ciencia y Tecnologías Cuánticas (FORTH-QuTech) de Grecia.
Los resultados del estudio revelan que la generación de altos armónicos impulsada por la luz de vacío comprimido brillante puede verse oscurecida por la ionización atómica y las pérdidas de fotones, efectos colaterales de la propagación de la luz de vacío comprimido brillante a través del medio. Esto degrada las características cuánticas de la radiación, limita su longitud máxima de propagación y disminuye el número de armónicos emitidos.
Afortunadamente, estos efectos de decoherencia no son un obstáculo insuperable. «Demostramos que, bajo las condiciones adecuadas, la luz de vacío comprimido brillante puede preservar su ‘cuanticidad’ y generar eficientemente armónicos con propiedades cuánticas», afirma Maciej Lewenstein, experto de larga trayectoria en generación de altos armónicos. Las condiciones incluyen reducir significativamente las pérdidas de fotones debidas a la ionización atómica y controlar cuidadosamente la intensidad de la luz de vacío comprimido brillante, de modo que se minimice la decoherencia sin perder la capacidad de generar altos armónicos.
Los investigadores planean ahora determinar las condiciones precisas para la realización experimental. Implementar el marco teórico propuesto ayudará a conocer mejor la propagación de la luz de vacío comprimido brillante a través de medios, lo que a su vez permitirá lograr avances significativos en el campo de la física ultrarrápida y en el de la física cuántica.
El estudio se titula “Propagation effects in high harmonic generation media driven by bright squeezed vacuum light”. Y se ha publicado en la revista académica Nature Communications.
