Experimento de reducción de la velocidad de la luz en un chip integrado

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Investigadores de la Universidad de California en Santa Cruz y de la Universidad de Brigham Young en Utah han publicado un artículo en Nature Photonics en el que explican la primera demostración experimental de reducción de la velocidad de la luz y transparencia inducida electromagnéticamente en un chip planar de espectroscopia atómica. El artículo es Slow light on a chip via atomic quantum state control.

Es importante resaltar que, en este caso, se trata de una reducción de la velocidad de grupo y no de la velocidad de fase, por lo que es posible utilizar esta técnica en la transmisión de información. Para conseguir esta reducción de la velocidad de grupo, hay que controlar la dependencia con la frecuencia del índice de refracción del medio en que se propaga.

Los experimentos realizados hasta la fecha han empleado interacciones entre luz y materia para conseguir grandes modificaciones de la velocidad de la luz (siempre por debajo de la velocidad de la luz en el vacío). Entre ellos se encuentran las técnicas de resonancias de transparencia inducida electromagnéticamente (Electromagnetically Induced Transparency, EIT), dobles resonancias atómicas, guías de onda de cristales fotónicos, guías de onda ópticas de resonador acoplado (Coupled Resonator Optical Waveguides, CROW) y dispersión estimulada de Brillouin (Stimulated Brillouin Scattering, SBS). Mediante estas técnicas, aplicadas en fibra óptica, se ha conseguido incrementar el índice de refracción de grupo de la fibra en un rango amplio de frecuencias, retrasando pulsos ópticos hasta varios anchos de pulso. Algunas utilizan materiales de estado sólido, y las demostraciones realizadas hasta el momento requerían configuraciones muy elaboradas, incluso temperaturas ultra-bajas, como la reducción de velocidad de la luz a 17 metros por segundo, en un condensado de Bose-Einstein de átomos ultra-fríos (1mK).

El salto cuantitativo que se produce con este experimento es, sobre todo, el empleo de técnicas integrables en chip para conseguir el propósito de reducir la velocidad de la luz, de forma controlada, hasta un factor de 1200. La fabricación del chip consiste en utilizar átomos de Rubidio confinados en guías de onda ópticas reflectantes y antirresonantes de núcleo hueco (Hollow-Core Anti-Resonant Reflecting Optical Waveguides, HC-ARROWs) con sección del orden de micras, además de un 44% de transparencia con potencias de control por debajo del milivatio. Los dispositivos ARROW confinan la luz en núcleos de bajo índice de refracción mediante la interferencia de ondas en capas dieléctricas de manera similar a las guías de onda de Bragg. En la siguiente figura se muestra un esquema de la configuración empleada (a), representándose las guías de onda de núcleos sólidos (azul) y de núcleos huecos (rosa), así como el sumidero y el camino de luz en los experimentos. En la parte (b) de la figura se puede ver una imagen de microscopio de electrones (SEM) de la sección longitudinal de las guías de onda, mientras que en la parte (c) se muestra un corte de una guía de onda hueca. Las dimensiones de la cavidad son de 4,75×12 micras, lo que resulta en una guía cuasi mono-modo.

Figura 1 Plataforma de espectroscopia atómica integrada: a) Layout de una célula de espectroscopia; b) Imagen SEM (Scanning Electron Microscopy) de una sección longitudinal; c) Imagen SEM de una sección de la guía de onda de núcleo hueco

En el experimento llevado a cabo con este dispositivo, se observó el efecto de reducción de la velocidad de la luz, como muestra la siguiente figura, mediante un láser que inyectaba pulsos de 20 ns de duración con una frecuencia de 5 MHz. En la figura se muestra a la izquierda el retardo resultante de un pulso cuando la potencia del láser se modula al 40% del máximo de potencia de entrada, correspondiéndose, como se ve a la derecha, con una reducción en un factor 1200 de la velocidad de la luz. Como efecto no deseado se puede ver un ensanchamiento del pulso, que se reduce cuando aumenta la potencia, en cuyo caso también se reduce el factor de reducción de la velocidad.

Figura 2 Medidas de reducción de la velocidad de la luz: a) Pulso retrasado (línea roja) respecto de pulso de referencia (línea azul) para un 40% del máximo de potencia de entrada; b) Medida de la velocidad de grupo (línea roja) y el índice de refracción de grupo (línea azul) frente a la potencia del láser

Esta tecnología da un paso muy importante en la obtención de dispositivos que permitan almacenar información en formato óptico, uno de los grandes problemas que tienen las redes fotónicas como por ejemplo las de ráfagas ópticas en su desarrollo para soportar paquetes de forma nativa. Como comentaba hace unos años, ¿es posible almacenar un fotón? Puede que estemos cerca de conseguir algo que se le aproxime.

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