100 MILLONES DE FOTONES POR SEGUNDO DE UNA SOLA MOLÉCULA
La comunicación cuántica, las redes cuánticas y los ordenadores cuánticos ópticos dependen todos de la misma pieza básica: una fuente de fotones individuales, un dispositivo que emite luz fotón a fotón, a demanda, con cada fotón idéntico al siguiente.
Existen muchas candidatas: átomos individuales, iones atrapados, puntos cuánticos semiconductores (los más maduros) y defectos en el diamante o el silicio. Las moléculas orgánicas son otra vía. Su estructura la fija la química, átomo a átomo, y es exactamente reproducible; su color puede elegirse diseñando la molécula. Son diminutas y baratas de fabricar. Enfriadas cerca del cero absoluto dentro de un cristal anfitrión, emiten luz de la máxima pureza espectral posible y prácticamente nunca se desgastan.
El problema: perder la luz
Un emisor envía luz en todas direcciones, y gran parte queda atrapada dentro del material por reflexión total interna. Un fotón que no llega a la primera lente se pierde para siempre. Las soluciones habituales, como las microcavidades o los nanohilos, exigen grabar el material. Aquí es imposible: los cristales orgánicos que dan la mejor luz son frágiles y no sobreviven a los procesos de fabricación.
Un espejo, una cúpula y una capa de 140 nanómetros
El equipo de Stephan Götzinger, del Instituto Max Planck de Ciencia de la Luz de Erlangen, usó en su lugar una antena plana. Un espejo de plata se sitúa bajo una capa de sílice. Encima, una semiesfera de óxido de circonio, una «lente de inmersión sólida», se une directamente al sustrato y deja un canal de apenas 140 nanómetros de grosor. Ese canal se llena con un cristal orgánico fundido (1,4-diclorobenceno) que contiene unas pocas moléculas de dibenzoterrileno, y después se solidifica.
La luz se dirige hacia la cúpula de alto índice; el espejo devuelve lo que escaparía en sentido contrario. Lo crucial es que el propio cristal nunca se graba: toda la estructuración está en el sustrato. La antena no depende de una resonancia estrecha, así que funciona en una amplia gama de colores y apenas depende de la orientación de la molécula. La muestra se enfría a 1,4 kelvin (−271,75 °C).
Las cifras
- Eficiencia de recolección: 97 ± 2 % de la luz llega a la primera lente.
- Unos 100 millones de fotones por segundo recogidos de una sola molécula en todo su espectro: según los autores, la tasa más alta publicada para cualquier fuente criogénica de fotones individuales, sea cual sea la plataforma. La tasa detectada, 21,3 millones de cuentas por segundo, es diez veces mayor que la de las fuentes moleculares criogénicas anteriores.
- Pureza: más del 97,5 %: los fotones salen realmente de uno en uno, incluso con excitación intensa.
- Indistinguibilidad: 91,2 ± 2,3 %: el grado en que los fotones sucesivos son idénticos, limitado por una pequeña pérdida residual de coherencia.
- Dos fotones emitidos con 170,7 nanosegundos de diferencia siguen interfiriendo con alta visibilidad.
- Como resultado secundario, el equipo midió que la molécula convierte en luz alrededor del 90 % de sus excitaciones: la primera estimación directa a baja temperatura para esta molécula.
Las moléculas orgánicas entran en la carrera
Los resultados sitúan a las moléculas orgánicas entre las plataformas competitivas para fotones individuales: brillantes, puras y coherentes a la vez. Como la antena no necesita ajustarse a una molécula concreta, los autores esperan que funcione con otras parejas de molécula y cristal, y por tanto en otros colores. Su próximo objetivo: sintonizar varias moléculas vecinas a la misma frecuencia para producir estados cuánticos de la luz más complejos, un paso hacia las futuras redes fotónicas cuánticas.