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El primer circuito integrado fotónico del mundo para manipular átomos
Los circuitos electrónicos integrados son posiblemente la tecnología más importante del siglo XX. Al habilitar, entre otras cosas, la industria informática, han cambiado la forma en que trabajamos y jugamos en un grado sin precedentes.
Los equivalentes fotónicos de estos dispositivos han sido igualmente difíciles de desarrollar y se utilizan ampliamente para manipular y controlar las señales en las fibras ópticas. Pero es justo decir que aún no han alcanzado su máximo potencial.
Una posibilidad llena de potencial es la capacidad de la luz para manipular e influir en los átomos individuales. Los físicos utilizan regularmente la luz para atrapar átomos e iones en nombre de la ciencia. Esto tiene todo tipo de aplicaciones importantes, desde la comunicación cuántica hasta la indicación de la hora.
Pero los dispositivos que hacen todo esto están más allá del alcance de cualquiera que tenga la mala suerte de no tener un laboratorio de óptica bien equipado.
Los circuitos integrados fotónicos podrían cambiar eso. Ofrecen la posibilidad de utilizar luz para manipular átomos individuales en pequeñas unidades autónomas que son relativamente baratas de fabricar y fáciles de operar.
Hoy, Jeff Kimble del Instituto de Tecnología de California en Pasadena y algunos amigos dicen que han construido el primer ejemplo de un dispositivo de este tipo. Divulgamos el desarrollo del primer circuito óptico integrado con un cristal fotónico capaz de localizar e interconectar átomos con fotones guiados en el dispositivo, dicen.
Los cristales fotónicos son útiles porque sus propiedades ópticas están determinadas por la geometría física, el tamaño de la guía de ondas, etc. Esto les permite ajustarse con precisión para transportar solo ciertas longitudes de onda de luz.
El nuevo dispositivo es un cristal fotónico hecho de nitruro de silicio que actúa como guía de ondas para la luz láser. El truco que Kimble y compañía han perfeccionado es construirlo para transportar luz sintonizada con ciertas transiciones atómicas en cesio. Cuando un átomo de cesio absorbe y dispersa estas longitudes de onda, el proceso genera fuerzas que pueden usarse para atrapar y manipular el átomo.
El cristal fotónico está integrado en un sistema que proporciona un suministro inmediato de átomos de cesio y el resultado es un circuito integrado capaz de manipular átomos de cesio individuales.
Kimble y compañía lo han puesto a prueba y dicen que funciona bien y ofrece un gran potencial. La integración de la nanofotónica y la física atómica ha sido un objetivo buscado durante mucho tiempo que abriría nuevas fronteras para la física óptica, dicen.
Las aplicaciones son numerosas. Este tipo de dispositivo será un componente importante de alta calidad para la computación y la comunicación cuánticas, ya que los átomos pueden almacenar y manipular información transportada por fotones.
Pero los átomos también pueden actuar como otro tipo de componentes ópticos, emitiendo luz con una eficiencia casi perfecta o reflejándola como un espejo. Y tener muchos átomos interactuando entre sí y con fotones debería proporcionar algunas oportunidades experimentales interesantes para los físicos. La fuerte interacción entre la respuesta óptica y las grandes fuerzas ópticas de muchos espejos atómicos puede dar lugar a un comportamiento opto-mecánico interesante, como la autoorganización, dicen Kimble y compañía.
Así que ese es un interesante dispositivo de prueba de principio que podría hacer posible una nueva generación de experimentos nanofotónicos. Es difícil argumentar en esta etapa que este tipo de circuitos fotónicos integrados formarán las entrañas de los dispositivos producidos en masa, como lo han hecho los circuitos electrónicos integrados. Pero es igualmente difícil argumentar que nunca lo harán. ¡Sólo el tiempo dirá!
Ref: arxiv.org/abs/1312.3446 : Interacciones átomo-luz en cristales fotónicos