Descubren un sorprendente comportamiento de la materia en el submundo de los átomos

Desde comienzos del Siglo XX, la física cuántica desconcierta hasta a los propios investigadores que se lanzan a explorarla en los mundos liliputienses que gobierna a su antojo: el zoológico subatómico, poblado de partículas que se entrelazan a distancias siderales, que existen solo si se las observa o que pueden estar en dos lugares al mismo tiempo. Si esto suena descabellado es porque ocurre en escalas nanométricas (de una millonésima de milímetro), muy lejos de nuestra realidad de todos los días.

En estos dominios, la materia se comporta de maneras rarísimas. Utilizando arreglos de láseres, un equipo internacional liderado por Alex Fainstein, graduado y docente del Instituto Balseiro, e investigador del Conicet y de la Comisión Nacional de Energía Atómica en el Laboratorio de Fotónica y Optomecánica del Centro Atómico Bariloche, en el que también participaron científicos del Paul-Drude-Institut, de Alemania, descubrió un curioso fenómeno de acoplamiento de la luz, las vibraciones mecánicas y el sonido en frecuencias fijas que abre el camino al desarrollo de tecnologías avanzadas de transmisión de la información y las simulaciones cuánticas. El trabajo se publicó en Nature Communications (https://doi.org/10.1038/s41467-023-38788-9).

“Normalmente, todo lo que se utiliza para procesar información es electrónico –explica Fainstein desde Bariloche–. Lo que ocurre en el celular o en la computadora, depende de la electrónica [el flujo de electrones], pero la información entre un centro y otro se transmite por fibras ópticas; es decir, mediante luz [por la generación, control y detección de fotones]. Por eso, hay mucha gente que está tratando de procesar información directamente en la luz, sin tener que traducirla a la electrónica. Nuestro sistema tiene un poco que ver con eso. Con técnicas de nanofabricación, desarrollamos redes de diez por diez nanoláseres, de alrededor de un micrón [milésima de milímetro] de diámetro, a un micrón de distancia uno del otro. Pero además, cada láser es una serie de capas de distintos materiales, cada una de las cuales mide a su vez nanómetros [millonésimas de milímetro]. El sistema mide 20 por 20 micrones. Para hacerse una idea de lo que significan esas dimensiones, cabe mencionar que las cosas más pequeñas que pueden captar los microscopios que utilizan los biólogos miden alrededor de un micrón. Entonces nosotros armamos como microscopios donde podemos colectar la luz que viene de cada uno de esos láseres o excitarlos con luz, y así operar sobre ellos”.

Lo singular de estas grillas es que cada uno de esos láseres es como una caja que confina fotones que interactúan con los vecinos. Es decir, que dan lugar a fenómenos colectivos. Cuando uno de ellos emite luz, el de al lado “se entera” y el siguiente también, y así se genera un fenómeno colectivo en el que las características coinciden.

“Lo curioso es que en principio, cada uno es un ente independiente que podés sintonizar para que emita en un color más o menos parecido (el color es lo mismo que la frecuencia), pero no idéntico –prosigue el físico–. Esto es algo que ya se sabe hace muchos años: bajo ciertas condiciones, la frecuencia (o el color de los láseres) se puede sincronizar. Y aunque originalmente tengan una frecuencia que es un poco distinta, por estas interacciones tienden a emitir con la misma frecuencia, el mismo color. Eso se llama ‘sincronización' y es un fenómeno que se conoce en otros ámbitos: en los metrónomos [que se utilizan para marcar el tiempo en las composiciones musicales], en los relojes de péndulo [su creador, Christian Huygens, descubrió que cuando había dos colgados de la misma estructura de madera, siempre oscilarán en sincronía y lo explicó por las vibraciónes en el soporte), las luciérnagas de países asiáticos que se prenden y se apagan todas juntas… Nuestro propio corazón es un sistema sincronizado en el que los cardiomiocitos se contraen en forma armónica”.

Aunque lo más natural sería que eesto no ocurriera, se sabe que bajo ciertas condiciones los osciladores tienden a sincronizarse. Si uno toma cinco metrónomos y los echa a andar sobre una mesa, uno se moverá para la derecha y otro para la izquierda, más o menos con la misma frecuencia, pero no idéntica. Son independientes. Ahora, si los coloca arriba de una tabla y la tabla sobre dos latitas de cerveza, de tal manera que cuando uno oscila mueve la tabla y ésta mueve las latitas de cerveza, eso acopla los metrónomos y a los pocos segundos los cinco están oscilando al unísono. Cuando la tabla está sobre el piso, los metrónomos no se "hablan" entre sí, no interactúan. El piso es duro, no permite que un metrónomo se "entere" de que el otro está vibrando. Cuando se ubica la tabla sobre las dos latas, la tabla oscila respondiendo al movimiento de los metrónomos, y entonces estos se ven afectados entre sí. En este caso sí interactúan. Esta interacción, en un problema que parece simple pero tiene su complejidad, pero que eventualmente conduce a la sincronización. En el caso del experimento realizado en Bariloche ocurre algo parecido. El rol de los metrónomos lo tienen los láseres. 

“Algo similar sucede con la sincronización en nuestro sistema –destaca Fainstein–. Hace un par de años, mostramos que cuando uno arma estas redes de láseres, si se acomodan de modo que la frecuencia sea un poco distinta, justo la de un sonido, se produce algo así como una cascada. Uno pone un láser a una cierta energía y otro un poquito más abajo. Entonces, los fotones, para poder saltar de uno a otro tienen que perder energía, como el agua, que pierde energía cuando cae en una cascada. Esa energía que pierden los fotones genera sonido. Ese sonido genera unas ondas y empieza a oscilar todo en armonía, mecánicamente. Nosotros detectamos ese sonido, de frecuencias altísimas. No podemos escucharlo (se lo llama ‘hipersonido’), pero son súper interesantes para ciertas aplicaciones; por ejemplo, para procesar información rápida”.

Las tecnologías 5G que se quieren instalar en las redes de celulares se diferencian justamente con las previas (4G) en que tienen frecuencias más grandes que las anteriores y eso les da mucha mayor capacidad de manejar datos. Estas frecuencias abren la puerta a desarrollar tecnologías de frecuencias incluso más altas que las de 5G, de 20 mil millones de vibraciones por segundo o más (nuestro oído detecta miles de vibraciones por segundo).

A lo anterior, los científicos lo llamaron “láser de sonido”. Pero ahora vieron algo nuevo. “De alguna manera, cerramos el circuito –dice Fainstein–, porque de la misma manera en que entonces observamos que los fotones en cascada generan sonido, lo que descubrimos con este trabajo es que ese sonido genera un efecto de retroalimentación sobre las energías de los fotones. No es que los fotones caen en cascada, emiten el sonido y no pasa nada, sino que los láseres sienten esa misma vibración que ellos generaron. Algo así como un eco en que el sonido que generaste vuelve hacia vos y te afecta. Y la forma en que afecta es que tiende a ‘clavar’ la diferencia de frecuencia de los láseres en cantidades que coinciden con la frecuencia del sonido o sus múltiplos. Ya no quedan sincronizados (las dos frecuencias iguales), sino que la frecuencia se ‘clava’ (locking, en inglés) en diferencias que son múltiplos de esos 20 Gigahertzios: 40, 60, 80, etcétera. Se clavan y son asincrónicos”. 

Fainstein y su equipo trabajan en investigación básica; es decir, motivada por la curiosidad de entender la naturaleza. Éste es un fenómeno raro y les llevó muchísimo tiempo desentrañarlo. Pero los investigadores del área ya están pensando en posibles aplicaciones.

Por un lado, están las redes de comunicaciones. “Una de las cosas que nosotros mostramos es que serviría para traducir información de la luz de esos láseres a la electrónica a través de este sonido que se desplaza a frecuencias que son más grandes que las que hoy se pueden implementar –imagina el científico–. Abre la posibilidad de desarrollar tecnologías de transducción de señales a las que hoy no se puede acceder, porque cuanto más grande es la frecuencia, más información se puede transmitir. Para entenderlo se puede imaginar que uno quiere enviar información a través de nubes de humo cuya creación lleva decenas de segundos. Tomaría una eternidad transmitir un texto de una página. En cambio, de este modo se genera una modulación que ocurre a 20 mil millones de veces por segundo, lo que permitiría procesarla muy rápido”.

Otro ámbito de aplicación podría ser el de las simulaciones cuánticas, planteadas hace décadas por el físico Richard Feynman, considerado el padre de la nanotecnología, cuando se vio que había muchas cosas que la computación nunca iba a poder resolver, porque la capacidad de cálculo que se necesita es enorme. “Hay problemas de física muy complicados, de muchos cuerpos, que nadie sabe cómo atacar –comenta Fainstein–. Entonces, se están buscando sistemas físicos (que podrían ser arreglos de láser como los nuestros), que de alguna manera se comporten de esa forma y dejar que evolucionen por su cuenta”.

En un comunicado del Instituto Balseiro firmado por Laura García Oviedo, Dimitri Chafatinos, primer autor del paper y estudiante del doctorado en Física del Balseiro, comenta desde Berlín, donde ahora realiza una estadía de investigación en el Paul-Drude-Institut, que todo el trabajo fue un desafío muy emocionante: “El inicio, ir a buscar algo y no saber qué es. El sistema en sí es muy rico físicamente, hay mucho por explorar, muchas preguntas por responder y mucho más aún por indagar”.

Por su parte, Ariel Levenson, presidente de la Société Française d’Optique, que no participó en la investigación, explica que los fotones, partículas elementales de luz, los electrones, portadores de electricidad, y los fonones, que transportan el sonido, son omnipresentes pero rara vez pueden colaborar. “Sus terrenos favoritos de acción difieren, puesto que se desplazan a velocidades muy diferentes; los fotones son aproximadamente cien mil veces más rápidos que los fonones. Lograr que interactúen de manera eficaz y crear excitaciones híbridas implicando los tres ofrecería la posibilidad de una nueva ingeniería de interacción luz-materia con aplicación potencial al procesamiento avanzado de información, tanto en régimen clásico como cuántico. En este artículo, el equipo internacional liderado por Alex Fainstein demuestra un avance suplementario al coordinar la interacción fotón-electrón-fonón”.