Luz lenta

Las ecuaciones de Einstein, las ecuaciones de Maxwell, y una enorme cantidad de experimentos nos dicen que la velocidad de la luz en el vació es aproximadamente 300,000 km/s. Mas aún, las ecuaciones de Einstein nos dicen que esa es la velocidad límite del universo, que no existe nada que pueda viajar más rápido.

Probablemente ya sabían eso y seguramente alguna vez se han preguntado ¿Cómo podríamos viajar más rápido? ¿Qué ocurriría si fuéramos capaces de superar ese límite? Solo hay que ver unas cuantas películas y novelas de ciencia ficción que intentan responder estas preguntas para ver lo mucho que nos interesa superar ese límite.

Sin embargo… ¿cuántos de ustedes se han preguntado justo lo contrario? ¿La luz tendrá una velocidad limite hacía abajo? ¿Es posible hacer viajar a la luz a velocidades humanas? ¿Será posible detener la luz completamente en su trayecto? ¿De ser así, tendría eso algún impacto tecnológico o sería una simple curiosidad? Todas esas preguntas son muy interesantes,  nos llevan a investigar fenómenos físicos fascinantes y a imaginar tecnología que podría revolucionar el mundo como lo conocemos.

Debido a la diferente velocidad de la luz el lápiz parece romperse

Refracción en acción

Empecemos aclarando que la luz lenta no es algo misterioso que jamás hayamos experimentado. De hecho, toda la luz que reciben nuestros ojos viaja a velocidades más bajas que la de la luz. Esto se debe a que la luz disminuye su velocidad cuando viaja a través de un medio transparente como el aire o el agua, en un factor que llamamos “indice de refracción”. Por ejemplo, la luz en el agua solo viaja a 225,564 km/s que es aproximadamente un 75% de la velocidad de la luz.

Sin embargo, 225,564 km/s sigue siendo una velocidad increíblemente grande, al menos para nuestras escalas humanas. Si yo veo un flash de luz en el aire o en agua no voy a notar absolutamente ninguna diferencia. Pero ¿será acaso posible crear un cristal con un indice de refracción tan masivo que la luz viajara a la velocidad de una bicicleta?

Lamentablemente la respuesta es no. Un material con indice de refracción tan grande no permitiría siquiera el paso de la luz, sería lo mismo que un objeto opaco que absorbe y refleja toda la luz que le llega.

Todo esto se los cuento para recalcar que no es posible obtener luz lenta por los medios normales a los que estamos acostumbrados. Para reducir la velocidad de la luz en un factor de millones es necesario usar un material fuera de lo ordinario, un material que se encuentra más allá de los dominios de la física clásica: El condensado Bose Einstein.

Cerca del cero absoluto

Antes de continuar, hagamos una pausa para hablar un poco sobre este medio exótico, y de paso hablar un poco de la historia que hay detrás de los experimentos para traer la luz a escalas humanas.

El cero absoluto es la temperatura más baja posible en el universo. La tercera ley de la termodinámica nos dice que es imposible alcanzarla, sin embargo nos podemos acercar bastante. A los físicos nos interesa mucho estudiar las regiones cercanas al cero absoluto debido a la abundancia de fascinantes fenómenos cuánticos, como la superconductividad o la superfluidez.

El condensado Bose-Einstein es otra de esas curiosidades que se pueden observar cerca del cero absoluto. Se trata de un estado de la materia predicho por el físico hindú Satyendra Nath Bose y por Albert Einstein por los años de 1924 y 1925, en el cual un grupo de átomos se comporta como bosones, ocupando todos el mismo estado cuántico simultáneamente. Es como si fueran una sola superpartícula donde se podrían observar efectos cuánticos a escalas macroscópicas. ¡Es algo impresionante!

Claro que en esos tiempos era imposible alcanzar las temperaturas cercanas al cero absoluto, así que los físicos tuvieron que esperar hasta 1995 cuando Eric Cornell y Carl Wieman lograron crear el primer condensado Bose-Einstein usando aproximadamente 2000 átomos de rubidio a una temperatura de 170 nanokelvin. Desde luego, recibieron el premio Nobel por su aportación en el año 2001.

Luz lenta

Siendo capaces de realizar condensados Bose-Einstein, los físicos del mundo no tardaron en empezar a investigar sus propiedades. Entre ellos se encuentra la física danesa Lene Hau, que en 1997 empezó a estudiar su propio condensado de Bose-Einstein hecho con de átomos de sodio. Originalmente su objetivo era investigar algunas propiedades del condensado usando luz láser, pero pronto su investigación tomó un giro y empezó a estudiar las propiedades de la misma luz dentro del condensado. Los resultados no tardaron en llegar, y en 1999 publicó en la revista Nature, un artículo que pasaría a la historia: Light speed reduction to 17 meters per second in an ultracold atomic gas (Reducción de la velocidad de la luz a 17 metros por segundo en un gas atómico ultrafrio). El impacto fue tal, que inclusive apareció en la portada del periódico New York Times.

Lene Hau

Lene Hau

La técnica que utilizó Hau se llama “transparencia electromagneticamente inducida”, que, como su nombre lo indica, permite modificar las propiedades ópticas del condensado para volverlo temporalmente transparente. Una vez que el condensado se ha vuelto transparente se envía un pulso láser para a través del condensado. Es la velocidad de este pulso láser la que Hau midió.

Volver al condensado transparente es más difícil de lo que suena. Para lograrlo, el condensado debe ser iluminado con otro par de láseres, con frecuencias y polarizaciones muy precisas que se deben calcular con mucho cuidado. Eso sin olvidar que hay que mantener el condensado en una trampa magnética y a temperaturas de cercanas al cero absoluto. Como se podrán imaginar no es una tarea sencilla.

Luz completamente detenida

Aquí no acabaron los experimentos de Hau. En 2001 su equipo fue un paso más allá y logró detener la luz completamente en su camino por 1 ms. Para lograr esto básicamente realizaron el mismo experimento usando la transparencia electromagnéticamente inducida, con la diferencia de que apagaban uno de los láseres  justo en el momento en que el pulso del tercer láser (el que viaja lento) atravesaba el condensado. De esta forma, el condensado Bose-Einstein volvía a ser opaco y el pulso de luz dejaba de ser transmitido. En cierto sentido “desaparecía”. Sin embargo, al volver a encender el láser que había sido apagado, se recuperaba el pulso que había quedado “atrapado” dentro del condensado. Mas que detener la luz, era como si los detalles cuánticos del pulso láser hubieran sido almacenados dentro condensado. En 2009 lograron mejorar el tiempo de almacenamiento hasta 1 segundo.

Por si esto no se podía poner aún más sorprendente, en 2007 ,el equipo de Hau mostró que era posible transferir la información del pulso láser a un segundo condensado al mover los átomos del primer condensado al segundo. Es decir los átomos del primer condensado guardaron y transfirieron la información del pulso al segundo condensado.

Ya que estamos hablando de información, una de las posibles aplicaciones para la luz lenta está en la tecnología, pues se podría usar luz para almacenar y enviar datos, en lugar de electrones y chips. Esto abre la posibilidad de un día tener computación basada en pulsos luz, donde probablemente no serían necesarias las conexiones físicas. Además, la computación con pulsos de luz se podría complementar con la computación cuántica, dando paso a una nueva era tecnológica.

Como pueden ver, la física detrás de la luz lenta es tema realmente interesante con muchas posibilidades que explorar. No se sorprendan si en los próximos años le otorgan su premio Nobel a Lene Hau.

Para ver más:

[1] Sidney Perkowitz, Charles. Slow Light. Invisibility, Teleportation and Other Mysteries of Light. Imperial College Press. (2011).

[2] Lene Vestergaard Hau, S. E. Harris, Zachary Dutton, Cyrus H. Behroozi. Light speed reduction to 17 meters per second in an ultracold atomic gas. Nature 397, 594-598 (18 Febrary 1999)

[3] Physics for 21st Century. Manipulating Light.

http://www.learner.org/courses/physics/video/video_transcript/unit07_transcript_0.pdf

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