En un avance significativo para la física moderna y las tecnologías de la información, un equipo de investigadores del Departamento de Física de la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas de la Universidad de Chile, junto a la Universidad de Concepción, logró observar experimentalmente fenómenos que permiten demostrar radiación con “memoria” similar a la que podría realizar un átomo.
“Nuestro trabajo es de carácter fundamental en física y busca demostrar cómo la teoría predicha para sistemas cuánticos puede ser implementada de forma análoga en estructuras fotónicas (creadas para controlar y guiar la luz), como las que estudiamos en nuestro laboratorio”, explica Rodrigo Vicencio, académico del Departamento de Física de la Facultad de Ciencias Física y Matemática UCH. “También, ésto permitiría controlar el envío y almacenamiento de información óptica en sistemas de procesamiento fotónico de datos, lo que es clave para el futuro de la computación óptica”.
Radiación con memoria
El equipo logró observar que en ciertas redes fotónicas, un potencial emisor cuántico (como lo sería, por ejemplo, un átomo o una molécula) puede decaer inicialmente liberando su energía, y luego re-absorber la energía que él mismo emitió. “Antes se conocía la posibilidad teórica, pero no se había observado con el nivel de control que logramos en nuestro laboratorio”, explica Vicencio. “Demostramos experimentalmente que algunas redes pueden reforzar la interacción entre el emisor y el entorno, que es donde se libera la energía, estableciéndose un tipo de memoria y coordinación entre ellos.”
Este comportamiento desafía la idea clásica de que el entorno “olvida” rápidamente la información del sistema. En cambio, revela un tipo de memoria donde la energía o información puede almacenarse en estados específicos del sistema, que es algo similar a, por ejemplo, las distintas formas en que puede oscilar una cuerda o los niveles de energía de un átomo, abriendo así nuevas posibilidades para el diseño de tecnologías fotónicas.
Análisis de nuevos estados
Para el desarrollo de esta investigación se utilizaron análisis teóricos y numéricos, sumados a la fabricación de redes fotónicas en el laboratorio. “Desarrollamos un modelo matemático muy completo para entender cómo el entorno afecta los procesos radiativos; luego, implementamos simulaciones numéricas tanto discretas como continuas y, finalmente, diseñamos y caracterizamos de forma experimental las redes fabricadas mediante una técnica de escaneo de longitud de onda (colores)”, detalla el científico.
Estos procesos son similares a los que dan origen a la luz, donde cada fotón emitido proviene de un átomo que transita desde un estado excitado a uno de menor energía, liberando ese exceso en forma de radiación. Mostramos en nuestro experimento que mediante la manipulación del entorno del átomo podemos almacenar (recordar) esa radiación, la que luego puede ser reabsorbida por el átomo.
El trabajo experimental se inició a comienzos de 2023 y, tras meses de análisis, el equipo obtuvo una expresión universal que describe el fenómeno observado, la cual podría ser clave en futuros estudios sobre radiación en diversos contextos físicos.
El equipo ya se encuentra proyectando nuevas líneas de investigación. “Vamos a avanzar hacia problemas de radiación con uno o más emisores cuánticos análogos, para estudiar fenómenos fundamentales de la óptica cuántica como la sub- y la súper-radiación”, adelanta Vicencio.
Junto a Rodrigo Vicencio, participaron Fabiola Cárcamo, estudiante de pregrado, y Diego Román, estudiante de postgrado, ambos de la Universidad de Chile, y Pablo Solano, académico de la Universidad de Concepción. Las contribuciones incluyeron la fabricación y caracterización de redes fotónicas (Cárcamo), el modelamiento numérico intensivo (Román), y el análisis de resultados junto a la redacción del artículo (Solano).
El hallazgo fue publicado en la prestigiosa revista Physical Review Letters bajo el título "Observation of non-Markovian radiative phenomena in structured photonic lattices".
