Investigadores del Instituto de Ciencias Nucleares (ICN), de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), refutaron el conocimiento que se tenía hasta ahora de la absorción de dos fotones entrelazados en algunos compuestos orgánicos.

Desde hace 25 años se predijo que la absorción de dos fotones entrelazados en compuestos orgánicos podría ser hasta 10 órdenes de magnitud más eficiente que su contra-parte clásica. Sin embargo, lo que encontró el grupo de universitari@s, tanto de manera teórica como de forma experimental, es que esto no siempre es así. Esto cambia completamente el conocimiento que se tenía hasta ahora del comportamiento de absorción de fotones entrelazados.

El trabajo de la colaboración entre el equipo de Óptica Cuántica y el de Nanopelículas del ICN ya fue publicado en el Journal of Physical Chemistry A bajo el título “Experimental Study of the Validity of Entangled Two-Photon Absorption Measurements in Organic Compounds”.

Este artículo ha causado mucho interés y revuelo entre la comunidad de físicos y químicos; de hecho, la colaboración fue invitada a la Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO), que es uno de los eventos más importantes de las áreas de óptica y electrónica, para que presenten su trabajo y debatan con los colegas.

La absorción de dos fotones entrelazados (ETPA por las siglas en inglés de Entangled Two-Photon Absorption), es un fenómeno en el que un átomo o una molécula interactúa con un par de fotones para lograr una transición electrónica, es decir, la energía de los fotones se transfiere a la molécula o al átomo para cambiar su estado energético.

En 1997 se publicó el primer artículo que abordaba el tema de la absorción de fotones desde una perspectiva teórica, pero no fue sino hasta 2017, en la Universidad de Michigan, cuando empezaron a salir los primeros resultados experimentales. Éstos llamaron la atención porque indicaban que la teoría era perfecta, lo cual en ciencia es casi imposible, ya que siempre hay cosas que perfeccionar en la teoría o simplemente ésta no concuerda del todo con lo experimental.

Entonces, la comunidad científica especializada en esta área se empezó a interesar en este tema y comenzó a reproducir los experimentos que reportaban sus colegas de dicha Universidad. Entre 2019 y 2020 empezaron a salir las primeras publicaciones en las que se reportaban que no se veía lo que la teoría y los investigadores de la Universidad de Michigan habían señalado.

Pero también había grupos que decían que sí salían los resultados. Entonces se armó una polémica interesante, razón por lo cual los doctores Roberto de J. León Montiel y Alfred B. U'Ren Cortés, del Instituto de Ciencias Nucleares, se interesaron en probar los experimentos que indicaban sus colegas. El doctor León Montiel cuenta: “hicimos todas las pruebas reportadas, el escalamiento lineal típico del proceso de absorción, verificamos las propiedades de correlación de los fotones, y veíamos que los resultados no coincidían con las predicciones de modelos realistas del fenómeno”.

Pero su trabajo no sólo se quedó en reproducir los experimentos ya probados, sino que hicieron innovaciones en el método de análisis y la instrumentación: “Desarrollamos un método en el que se fueran aislando los diferentes problemas que pudiera tener el experimento, por ejemplo, que no se esté enviando la cantidad suficiente de fotones, el tiempo de correlación entre ellos, entre otras cosas”, menciona el Dr. Roberto León Montiel, quien también explicó que como lo que se está analizando es la absorción, esto significa que “si mandas, por ejemplo, 100 parejas de fotones y a la salida de la muestra ves que te quedaron 80, eso quiere decir que en la muestra se absorbieron 20 parejas”.

La cuestión es que quizás la pérdida de esas parejas fue por otras circunstancias y no precisamente porque fueron absorbidas; esto puede denominarse como pérdidas lineales: “El método que desarrollamos en la UNAM para realizar este artículo elimina todas esas pérdidas lineales. Dijimos, hay que tener cuidado porque las señales que se han medido probablemente no son resultado de la absorción, sino de otras cosas”.

Para asegurarse de eliminar esas pérdidas lineales, los investigadores desarrollaron un nuevo método para el análisis de los datos, así como una herramienta que no se había implementado en experimentos de este tipo: se trata de un brazo de referencia. León Montiel lo expone así: “Tienes una fuente que divide en dos la señal de fotones: una la manda a una parte en la que se le colocó una muestra para justo observar el fenómeno de absorción y otra, en el brazo de referencia en el cual no hay nada; éste nos sirve mucho porque nos dice qué está pasando, nos ayuda a distinguir cualquier variación que haya al momento de poner la muestra”.

La muestra que utilizaron fue de rodamina B y tetrafenilporfirina de zinc, sustancias que ya se habían probado en los experimentos que reportaron sus colegas de Michigan.

Justo por la naturaleza de las muestras, los investigadores buscaron colaborar con sus colegas del ICN, las doctoras Violeta Álvarez y María del Pilar Carreón, expertas en el desarrollo de compuestos químicos orgánicos.

Con el objetivo de estudiar el proceso de absorción de dos fotones entrelazados, físicos y químicas de tres grupos experimentales del ICN, unieron esfuerzos desde hace tres años para realizar una colaboración multidisciplinaria, que de hecho es la primera de este tipo entre investigadores del ICN.

León Montiel recuerda que, “Cuando me contrataron en el ICN, uno de los objetivos fue generar nuevas líneas de investigación, y una de las líneas que he trabajado bastante es la interacción de luz no clásica con la materia. Le platiqué al doctor Alfred lo que estaba haciendo y resultó que él, junto con sus estudiantes, entre ellos Samuel Corona Aquino [estudiante de maestría en el Posgrado en Ciencias Físicas y primer autor del estudio publicado], estaban desarrollando diversos tipos fuentes de fotones entrelazados o correlacionados”. Samuel Corona es colaborador del Laboratorio de Óptica Cuántica bajo la tutela del Dr. Héctor Cruz, técnico académico del Laboratorio de Óptica Cuántica y también autor del artículo.

En el Laboratorio de Óptica Cuántica, dirigido por el doctor Alfred U'Ren Cortés, pueden generar luz no-clásica con diferentes longitudes de onda y diferentes tipos de correlaciones, por lo que los investigadores analizaron la posibilidad de usar estas herramientas para el estudio de absorción. Roberto León Montiel narra: “Platicamos sobre cómo se podrían implementar los experimentos y una parte fundamental era hacer pruebas con sustancias químicas, idealmente sería con pruebas biológicas, pero eso será más adelante. Sin embargo, el grupo del doctor Alfred ni yo teníamos mucha experiencia en hacer soluciones y generar compuestos, así que se lo platicamos a las doctoras Violeta y Pilar, y así fue como comenzamos esta colaboración”.

Esta colaboración multidisciplinaria continuará ya que ahora quieren hacer experimentos con compuestos que ellas mismas sintetizan en el Laboratorio de Nanopelículas del ICN, el cual es dirigido por la doctora María del Pilar Carreón.

El trabajo que recientemente publicaron los científicos universitarios contribuye a conocer la dinámica energética de complejos moleculares y esto podría ayudar a conocer cómo se mueve la energía en las celdas solares e incluso en las plantas. El Dr. León Montiel lo expresa así: “Cuando el fotón entra a un sistema se convierte en un excitón, el cual se empieza a mover alrededor de todas las moléculas que conforman el complejo, esta técnica de demostrarse y que podamos controlar, permitiría saber cómo se está moviendo esa energía dentro de un arreglo molecular. Saber en dónde está la energía es super importante por si quieres hacer por ejemplo celdas solares eficientes”.

Además, el trabajo que realizó este grupo de investigadores del ICN abre la posibilidad de que en un futuro se puedan hacer espectrómetros compactos, sin necesidad de grandes láseres pulsados, que son muy costosos: “Se podría tener un cristal no lineal y un láser de bombeo continuo que es mucho más barato y haría la misma función”, resaltó el doctor Roberto León.