En general, la espectroscopia en el régimen óptico, es decir, aquella que utiliza radiación que tiene una longitud de onda entre los 400 y 800 nanómetros, es implementada utilizando luz láser; sin embargo, estudios recientes han demostrado que la luz no-clásica, en particular las parejas de fotones entrelazados tienen un gran potencial para llevar a la espectroscopia experimental a un nivel de precisión sin precedentes.

Una de las características más atractivas de la espectroscopia con fotones entrelazados es que la muestra bajo estudio “siente” la energía de un solo cuanto de luz (fotón) durante la interacción con el par de fotones. Sorprendentemente, esto nos lleva a observar un escalamiento lineal de la absorción como función del flujo de luz que incide en la muestra, lo cual contrasta fuertemente con el comportamiento observado con luz clásica, en el que el escalamiento es cuadrático.

La diferencia fundamental entre ambos comportamientos es que el lineal requiere un flujo mucho menor de luz que el cuadrático, lo que se traduce en la posibilidad de desarrollar nuevos espectrómetros, ultra-compactos y de muy bajo costo.

El arreglo experimental para la implementación de espectroscopia por absorción de parejas de fotones entrelazados se muestra en la Figura 1(a).

Un cristal no-lineal es bombeado por un láser intenso de onda continua. En la interacción con el cristal, un fotón de bombeo produce un par de fotones, señal y acompañante, que satisfacen la condición de conservación de la energía, es decir, la suma de su energía es igual a la energía del fotón de bombeo que los produjo.

FEl proceso por el que se generan las parejas de fotones entrelazados se le conoce como Conversión Paramétrica Descendente Espontánea (o SPDC por sus siglas en inglés), una técnica muy bien conocida en el campo de la óptica cuántica.

Una vez generados, se introduce un retraso temporal entre los fotones, lo que permite controlar la ventana de tiempo en el que ocurre la absorción del primer fotón, seguido por su gemelo. Usando esta configuración, podemos monitorear la señal de absorción de las parejas de fotones como función del retraso temporal entre ellos.

La Figura 1(b) muestra un ejemplo de la señal de absorción, como función del retraso temporal, para la transición 1s->2s del hidrógeno atómico. Es importante señalar que esta transición ocurre a través de los estados p, los cuales podemos acceder a través de la absorción de los fotones entrelazados.

En la Figura 1(b) podemos notar que la absorción muestra un comportamiento oscilatorio, lo que nos hace suponer que contiene información espectroscópica sobre la muestra bajo estudio. Para extraer esta información, realizamos una operación conocida como Transformada de Fourier, la cual extrae información sobre las frecuencias de los niveles de energía que participaron en la excitación del hidrógeno atómico. La Figura 1(c) muestra el resultado de aplicar la transformada de Fourier a la Figura 1(b).

Espectroscopia cuántica no-lineal. (a) Representación esquemática del arreglo experimental para la implemetanción de espectroscopia por absorción de fotones entrelazados. (b) Ejemplo de la señal de absorción, como función del retraso temporal, para la transición 1s->2s del hidrógeno atómico. (c) Transformada de Fourier de la señal de absorción, revelando las energías de las transiciones p que contribuyen a la excitación bifotónica de la muestra. Figuras adaptadas de los artículos: R. de J. León-Montiel et al., New J. Phys. 15, 053023 (2013) y L. Mertenskötter et al., JOSA B 38, C63 (2021).

Lo que observamos es que aparecen picos, cuyas posiciones nos indican los valores de energía (o frecuencia) de las transiciones p que contribuyen a la excitación de la transición 1s->2s. Este resultado demuestra el potencial de la espectroscopia por absorción de fotones entrelazados para extraer información relevante de la estructura electrónica de una muestra, usando una fuente de bombeo continua.

Una de las características más importantes de los pares de fotones entrelazados es que poseen propiedades temporales y espectrales independientes, es decir, no están sujetos a la incertidumbre frecuencia-tiempo que caracteriza a los campos clásicos a través de su transformada de Fourier. La importancia de esta característica se puede entender al analizar el proceso de absorción de dos fotones en un sistema molecular con estructura electrónica como la mostrada en la Figura 2.

En el caso clásico [Figura 2(a)], la absorción de dos fotones se lleva a cabo mediante el uso de pulsos laser que iluminan la muestra bajo estudio.

Figura 2. Espectroscopia cuántica de la banda de dos excitaciones. (a) La excitación con luz clásica impide seleccionar de forma precisa los niveles en la banda de dos excitaciones, mientras que (b) las parejas de fotones entrelazados, al no satisfacer la condición de incertidumbre frecuencia-tiempo, logran excitar de forma precisa las transiciones doblemente excitadas.

Debido a su corta duración temporal, estos pulsos son extremadamente anchos en frecuencia, lo que ocasiona que todos los niveles electrónicos que conforman la banda de dos excitaciones tengan la misma probabilidad de excitarse, es decir, no se tiene un control preciso sobre qué nivel electrónico específico de la banda doblemente excitada se ha poblado. En contraste, para el caso cuántico [Figura 2(b)], la suma de las frecuencias de los fotones entrelazados es igual a la frecuencia del láser continuo de bombeo. Esto es sumamente importante, pues implica que la suma de dos paquetes de onda con un ancho espectral grande, como lo son los fotones entrelazados, produce un campo con un ancho espectral muy estrecho.

Este interesante resultado nos permite pues concluir, que el proceso de absorción de parejas de fotones entrelazados nos permite observar propiedades de la materia que la luz clásica no es capaz de resolver.

En el Instituto de Ciencias Nucleares (ICN), el grupo multidisciplinario formado por los laboratorios liderados por la Dra. Pilar Carreón-Castro y la Dra. Violeta Álvarez-Venicio (Laboratorio de Nanopelículas), el Dr. Alfred U’Ren Cortés (Laboratorio de Óptica Cuántica) y el Dr. Roberto de J. León-Montiel (Laboratorio de Micro y Nanofotónica) se encuentran desarrollando métodos que permitan certificar de manera inequívoca la absorción de fotones entrelazados en materiales orgánicos.

El equipo cuenta ya con un espectrómetro cuántico experimental, el cual fue reportado en un trabajo publicado este año en la revista The Journal of Physical Chemistry A.

El objetivo del equipo en el ICN es utilizar la absorción de fotones entrelazados en imagenología cuántica de tejidos biológicos, así como para evaluar compuestos potencialmente útiles para aplicaciones en dispositivos optoelectrónicos como las celdas fotovoltáicas o los diodos emisores de luz orgánicos, mejor conocidos como OLEDs.