Cuando un haz de luz láser relativamente intenso se propaga por un material, modifica ligeramente la densidad del medio físico y genera ínfimas vibraciones. Estas oscilaciones acústicas distorsionan el material y pueden causar alteraciones en las características originales de la luz. Dos artículos científicos publicados recientemente, que contaron con la participación de físicos brasileños, presentan avances experimentales en el control de las interacciones entre las ondas de luz (fotones) y las ondas acústicas o mecánicas (fonones) en el interior de un medio físico, el fenómeno brevemente descrito en el pie de la imagen que aparece arriba.
“Estos trabajos muestran avances que pueden ayudar al desarrollo de dispositivos para sistemas de comunicación cuántica”, dice Gustavo Wiederhecker, del Instituto de Física Gleb Wataghin de la Universidad de Campinas (IFGW-Unicamp), en São Paulo. El investigador es coautor de uno de los artículos y coordina el Programa QuTIa [Quantum Technologies InitiAtive] en Tecnologías Cuánticas de la FAPESP, en cuyo marco se llevaron a cabo los estudios.
El primer artículo se publicó el 15 de marzo en la revista Nature Communications. El mismo presenta un cristal de silicio con un diseño que tiene por objeto disipar el calor muy rápidamente y aumentar la eficiencia del procesamiento de la información basada en cúbits (bits cuánticos). El segundo estudio, publicado en línea el 21 de marzo en la revista Physical Review Letters, describe una nueva estrategia para manipular la polarización de la luz, es decir, el plano (vertical u horizontal) en el que vibran sus ondas electromagnéticas. Este último avance puede ser útil para producir láseres más sutiles y puros, lo que, en teoría, podría ampliar la capacidad de transmisión de datos en las fibras ópticas.
Ambos trabajos fueron dirigidos por físicos de la Unicamp en colaboración con universidades estadounidenses. Con diferentes enfoques, estos estudios contribuyen al desarrollo de dispositivos ópticos capaces de realizar lo que se conoce como transducción cuántica a través de oscilaciones acústicas. Este proceso consiste en utilizar vibraciones mecánicas para convertir la información cuántica entre dos formas de energía, de una longitud de onda del espectro electromagnético a otra. Para el desarrollo de las redes cuánticas se necesita transformar, sin que se produzca una pérdida significativa de información, los cúbits codificados en frecuencias de microondas en bits cuánticos que operen en el espectro de la luz visible.
En este punto se centran los esfuerzos del artículo publicado en Nature Communications. El trabajo indica que la transducción cuántica puede realizarse utilizando un cristal de silicio con el que la luz puede interactuar a lo largo de un plano en dos dimensiones. Hasta ahora solamente se habían utilizado como transductores cristales cuya estructura permite interacciones con la luz en una dimensión, es decir, tan solo en una dirección específica. La desventaja de estos cristales unidimensionales radica en su propensión al calentamiento residual. El material absorbe parte de la energía de la luz y pierde eficiencia durante el proceso de transducción. “El diseño de nuestro cristal fue pensado para ‘conversar’ con los cúbits superconductores y para disipar el calor muy rápidamente”, explica Thiago Alegre, del IFGW-Unicamp, quien firma el estudio junto con André Primo, quien completó su doctorado bajo su dirección en 2024, y colegas de la Universidad Stanford, en Estados Unidos.
Para contrarrestar el aumento de la temperatura, los investigadores diseñaron un cristal optomecánico bidimensional con estructuras a las que denominaron “bumeranes” y “dagas”. Los “bumeranes”, situados en la parte exterior, funcionan como escudos contra las interacciones del cristal con el ambiente, evitando perturbaciones mecánicas. Las estructuras internas denominadas “dagas” sirven para atrapar la luz introducida en el cristal por una fibra óptica. Además de confinar los fotones entre sí, las “dagas” también vibran, generando ondas acústicas. Los fonones de esta vibración interactúan con los fotones entre las “dagas” y se acoplan a ellos. El acoplamiento cuántico hace que una alteración en el estado de los fotones produzca un cambio casi instantáneo en los fonones y viceversa. Esto demuestra que, en el dispositivo, es posible convertir la información contenida en la luz en vibraciones acústicas.
La transmisión de información entre los procesadores cuánticos normalmente tiene lugar en materiales superconductores que operan en la frecuencia de las microondas y a temperaturas extremadamente frías, cercanas al cero absoluto, en torno a -273,15 grados Celsius (ºC). Una línea de transmisión de microondas entre estos dispositivos debería operar a temperaturas similares, ya que la información cuántica en estas frecuencias se desorganiza a temperaturas más altas. En la práctica, la refrigeración necesaria para construir redes cuánticas más largas, superiores a unos pocos metros, se topa con esta limitación térmica.
La geometría del cristal ideado por la Unicamp y sus colaboradores soluciona el problema del calentamiento residual, pero aún debe perfeccionarse para lidiar mejor con la tarea de convertir la información cuántica de una forma de energía a otra. El control de las vibraciones acústicas del cristal durante el proceso de conversión de los datos de las frecuencias de microondas a las de la luz visible aún no es óptimo. De conseguirse alcanzar este objetivo será posible transmitir datos cuánticos vía láser a lo largo de extensas redes de fibra óptica. “La fibra óptica es un excelente aislante térmico y la información transportada por la luz no se ve perturbada por las variaciones de temperatura”, comenta Primo.
Para el físico Anderson Gomes, de la Universidad Federal de Pernambuco, quien no participó en el trabajo, el estudio tiene una gran originalidad, ya que “amplía las fronteras del conocimiento en materia de optomecánica”, dice. “Es el primer paso para la demostrar la transducción mediante un cristal de silicio bidimensional”.
El segundo artículo se ocupa del fenómeno conocido como dispersión de Brillouin. Este proceso se produce cuando la luz incide sobre un sustrato y altera alguna de sus propiedades debido a la influencia de las vibraciones acústicas del material. El resultado de esta interacción entre fotones y fonones es que la luz dispersada puede presentar una frecuencia (color) diferente a la de la luz incidente. En el ámbito de las comunicaciones, la manipulación de este tipo de dispersión, propuesta en 1922 por el físico francés Léon Brillouin (1889-1969), se emplea actualmente para medir la temperatura y la presión en las fibras ópticas.
Thiago Alegre / UNICAMPImagen de una guía de ondas creada en la Unicamp (el rectángulo negro) acoplada a dos fibras ópticasThiago Alegre / UNICAMP
En el artículo publicado en la revista Physical Review Letters, los físicos dirigieron un haz láser hacia guías de onda fabricadas con niobato de litio (LiNbO3), con el propósito de intentar cambiar su polarización, el plano en el que vibran sus ondas electromagnéticas. Este tipo de alteración puede dar lugar a láseres más puros y precisos, que tienden a ser más eficientes en la transmisión de información. Las guías de onda son unas estructuras que confinan y direccionan la propagación de las ondas electromagnéticas (generalmente láser) o las vibraciones mecánicas.
El niobato de litio es un material que se usa en el ámbito de las telecomunicaciones y presenta una estructura microscópica hexagonal, similar a la de un panal de abejas. Una de sus propiedades consiste en ser anisotrópico: el cambio de orientación de su estructura modifica su interacción con la luz. Las guías de onda están hechas normalmente con materiales isotrópicos como el nitrato de silicio (Si3N4), que interactúan de la misma manera con la radiación electromagnética independientemente de la dirección en que se encuentran orientadas sus estructuras.
Además de ser anisotrópico, el niobato de litio fue elegido para utilizarse en el experimento porque presenta otra característica deseada: se trata de un material piezoeléctrico, es decir, que produce cargas eléctricas cuando vibra o sufre algún tipo de estrés mecánico. Los experimentos realizados en el Laboratorio de Fotónica Integrada del IFGW indican que cambiar el nivel de inclinación de las guías de onda de LiNbO3 altera la intensidad de la dispersión de la luz. La frecuencia electromagnética de las ondas dispersadas también difiere según el ángulo.
En las guías de niobato de litio, la luz que interactúa con las vibraciones se dispersa en polarización cruzada. Si el haz láser inicial tiene dirección horizontal, la luz reflejada por los fonones del medio físico presenta una polarización vertical, y viceversa. “Esta forma de manipular la información transmitida por la luz puede ser útil para fabricar guías que funcionen como conversores de polarización”, comenta el autor principal del estudio, el físico Caique Rodrigues, quien completó su doctorado en la Unicamp a principios de 2025 bajo la dirección de Wiederhecker. Además de Rodrigues, firman el trabajo Wiederhecker, Alegre, otros cuatro investigadores del grupo de óptica de la Unicamp, y colegas de la Universidad Harvard, en Estados Unidos.
El físico Cleber Mendonça, del Instituto de Física de São Carlos de la Universidad de São Paulo (IFSC-USP), quien no participó en el estudio, subraya que el resultado del trabajo corrobora la posibilidad de manipular la polarización de la luz con algo similar a un interruptor óptico. “De esta manera, sería posible seleccionar la polarización de la luz que se propagaría o no en el interior de la fibra óptica”, afirma.
Este artículo salió publicado con el título “La luz del sonido” en la edición impresa n° 351 de mayo de 2025.
Proyectos
1. Circuitos nanofotónicos no lineales. Bloques fundamentales para la síntesis de frecuencias ópticas, filtrado y procesamiento de señales (nº 18/15577-5); Modalidad Ayuda de Investigación – Jóvenes Investigadores – Etapa II; Investigador responsable Gustavo Silva Wiederhecker (Unicamp); Inversión R$ 2.638.358,71.
2. Cavidades optomecánicas rumbo al acoplamiento fuerte con fotones únicos (nº 18/15580-6); Modalidad Ayuda de Investigación – Jóvenes Investigadores – Etapa II; Investigador Thiago Pedro Mayer Alegre (Unicamp); Inversión R$ 3.035.457,34.
3. Dispositivos fotónicos integrados (nº 18/25339-4); Modalidad Proyecto Temático; Investigador responsable Newton Cesário Frateschi (Unicamp); InversiónR$ 8.503.478,05.
Artículos científicos
RODRIGUES. C. C. et al. Cross-polarized stimulated brillouin scattering in lithium niobate waveguides. Physical Review Letters. 21 mar. 2025.
MAYOR. F. M. et al. High photon-phonon pair generation rate in a two-dimensional optomechanical crystal. Nature Communications. 15 mar. 2025.
