En las películas de ciencia ficción, la aparición de personajes capaces de controlar la materia a su alrededor sin tocarla es un tema recurrente. Soñamos con poder manipular aquello que nos rodea a distancia, sin tocar. Pero, ¿y si esto fuera posible?

¿Qué tienen en común un fotón y una nota musical?

Comencemos nuestra historia introduciendo al primer protagonista: el fotón. ¿Qué es un fotón? Imaginemos que tiramos una piedra a un lago. Veremos que al caer, esta piedra generará ondas, que se propagaran en la superficie del agua. Simplificando mucho, si sustituimos nuestro lago por el campo electromagnético diremos que estas ondas son luz, y que estará compuesta por fotones (paquetes de energía).

Una onda en un lago puede tener frecuencias y energías prácticamente arbitrarias, pero sabemos que esta regla no es general. En la cuerda de una guitarra, por ejemplo, las ondas sólo pueden tener ciertas frecuencias que llamamos notas. Podré tocar un Mi, o cualquiera de sus armónicos, pero no una nota intermedia. Esto es porque esta nota hipotética “no cabe” en la cuerda, y la razón es relativamente simple: nuestra cuerda debe mantener sus extremos fijos, y esta condición reduce significativamente el número de ondas que pueden existir en ella.

¿Podría ocurrir lo mismo con el campo electromagnético? ¿Pueden algunos fotones no “caber”? La respuesta es sorprendente: sí, gracias a los cristales fotónicos. Estos cristales son estructuras periódicas llenas de huecos nanométricos (ver Figura 1) que imponen condiciones al campo electromagnético, igual que los extremos fijos en la cuerda de la guitarra, y prohíben que ciertos modos de vibración puedan existir. Dado que para un fotón energía y frecuencia son equivalentes, ¡pueden hacer que fotones de ciertas energías “no quepan” dentro de su estructura!

Figura 1: Ejemplo de estructura de un cristal fotónico [1].

Emisión espontánea y emisión frustrada

Nuestro siguiente protagonista es el átomo. En un átomo los electrones se distribuyen en niveles de energía, intentando siempre llenar los niveles más bajos (nuestros electrones son, ante todo, ahorradores). A pesar de ello un átomo puede excitarse, por ejemplo cuando un fotón es absorbido. Cuando esto ocurre, dado que un electrón gana la energía del fotón, debe ocupar un nivel de mayor energía. Pero hemos dicho que nuestros electrones son ahorradores, así que en su afán detener la menor energía “escupirán” el fotón absorbido pasado un tiempo. Esto es lo que llamamos emisión espontánea, y aunque no es la única forma que tiene el fotón de desexcitarse suele ser la dominante.

Imaginemos ahora que nuestro átomo excitado se encuentra dentro de un cristal fotónico. Para desexcitarse el átomo debe emitir un fotón con una energía concreta: la energía de la excitación. Pero, ¿y si este fotón “no cabe” en nuestro cristal? ¡Nuestro átomo no podrá desexcitarse! Controlando la estructura de nuestro cristal podemos cambiar qué fotones caben y cuáles no. Sin siquiera tocarlo, sólo cambiando las condiciones del espacio en las que el átomo vive, ¡podemos alterar su comportamiento!.

Conclusión

A pesar de las limitaciones que supone no trabajar con sistemas ideales (nuestros cristales no son infinitos y los átomos tienen más de una formade desexcitarse), se ha comprobado experimentalmente [2] que el tiempo que un sistema puede vivir excitado en un cristal fotónico puede aumentar significativamente. Este fenómeno puede ser importante en el campo de la información cuántica ya que podría permitir controlar el tiempo de vida de nuestros bits cuánticos.

Otra de las conclusiones más importantes que este efecto conlleva es que el entorno en el que se sitúa un sistema que emite luz puede influir mucho en su comportamiento. Gracias a los avances en el campo de la nanofabricación esto abre la puerta a un control sobre los emisores mucho mayor. Si nuestro emisor no puede desexcitarse emitiendo un fotón podemos forzar a que se desexcite de otra forma, por ejemplo, transmitiendo energía a otra molécula cercana [3], lo que podría ser de ayuda a la hora de diseñar sistemas fotovoltáicos.

Y por último, todo est nos deja una bonita conclusión: que gracias a los esfuerzos de investigadores e investigadoras, la ciencia ficción es cada vez menos ficción y más ciencia.

Referencias

[1]: Wikimedia Commons (visita 15/05/2020)
[2]: Leistikow, M. D. et al., Inhibited Spontaneous Emission of Quantum Dots Observed in a 3D Photonic Band Gap, Phys. Rev. Lett. (2011)
[3]: Ghenuche, P. et al. Nanophotonic Enhancement of the Förster Resonance Energy-Transfer Rate with Single Nanoapertures, Nano Lett. (2014)