La radiación de Cherenkov y el futuro de las aplicaciones cuánticas


Créditos de las imagenes: Technion Press Room.

Investigadores de Israel han presentado la primera observación experimental de la radiación de Cherenkov confinada en dos dimensiones.

Los resultados sorprendieron a los investigadores cuando se logró un nuevo récord en la fuerza de acoplamiento de la radiación de electrones y se revelaron las propiedades cuánticas de la radiación.

La radiación de Cherenkov es un fenómeno físico único, que durante muchos años se ha utilizado en imágenes médicas y en aplicaciones de detección de partículas, así como en aceleradores de electrones impulsados por láser.

El avance logrado por los investigadores de Israel vincula este fenómeno con futuras aplicaciones de computación cuántica fotónica y fuentes de luz cuántica de electrones libres.

El estudio, que se publicó en Physical Review X, fue encabezado por los estudiantes de doctorado Yuval Adiv y Shai Tsesses del Technion, junto con Hao Hu de la Universidad Tecnológica de Nanyang en Singapur.

Fue supervisado por el Prof. Ido Kaminer y Prof. Guy Bartal del Technion, en colaboración con colegas de China: Prof. Hongsheng Chen y el Prof. Xiao Lin de la Universidad de Zhejiang.

La interacción de los electrones libres con la luz es la base de una plétora de fenómenos de radiación conocidos y ha dado lugar a numerosas aplicaciones en la ciencia y la industria.

Uno de los efectos de interacción más importantes es la radiación de Cherenkov: radiación electromagnética emitida cuando una partícula cargada, como un electrón, viaja a través de un medio a una velocidad mayor que la velocidad de fase de la luz en ese medio específico.

Es el equivalente óptico de un estampido supersónico, que ocurre, por ejemplo, cuando un avión viaja más rápido que la velocidad del sonido.

En consecuencia, la radiación de Cherenkov a veces se denomina “onda de choque óptica”.

El fenómeno fue descubierto en 1934.

En 1958, los científicos que lo descubrieron recibieron el Premio Nobel de Física.

Desde entonces, durante más de 80 años, la investigación de la radiación de Cherenkov condujo al desarrollo de una gran cantidad de aplicaciones, la mayoría de ellas para detectores de identificación de partículas e imágenes médicas.

Sin embargo, a pesar de la intensa preocupación por el fenómeno, la mayor parte de la investigación teórica y todas las demostraciones experimentales se referían a la radiación de Cherenkov en el espacio tridimensional y basaban su descripción en el electromagnetismo clásico.

Ahora, los investigadores de Israel presentan la primera observación experimental de la radiación Cherenkov 2D, demostrando que en el espacio bidimensional, la radiación se comporta de una manera completamente diferente: por primera vez, la descripción cuántica de la luz es esencial para explicar los resultados del experimento.

Los investigadores diseñaron una estructura multicapa especial que permite la interacción entre los electrones libres y las ondas de luz que viajan a lo largo de una superficie.

La ingeniería inteligente de la estructura permitió una primera medición de la radiación Cherenkov 2D.

La baja dimensionalidad del efecto permitió vislumbrar la naturaleza cuántica del proceso de emisión de radiación de electrones libres: un recuento del número de fotones (partículas cuánticas de luz) emitidos por un solo electrón y evidencia indirecta del entrelazamiento de los electrones con las ondas de luz que emiten.

En este contexto, «entrelazamiento» significa «correlación» entre las propiedades del electrón y las de la luz emitida, de modo que medir uno proporciona información sobre el otro.

Cabe señalar que el Premio Nobel de Física 2022 fue otorgado por la realización de una serie de experimentos que demostraron los efectos del entrelazamiento cuántico (en sistemas diferentes a los demostrados en la presente investigación).

La radiación de Cherenkov:

Según Yuval Adiv: el resultado del estudio que más nos sorprendió se refiere a la eficiencia de la emisión de radiación de electrones en el experimento: mientras que los experimentos más avanzados que precedieron al presente lograron un régimen en el que aproximadamente solo un electrón de cien radiación emitida, aquí logramos un régimen de interacción en el que cada electrón emitía radiación.

En otras palabras, pudimos demostrar una mejora de más de dos órdenes de magnitud en la eficiencia de la interacción (también llamada “fuerza de acoplamiento”).

Este resultado ayuda a avanzar en los desarrollos modernos de fuentes de radiación eficientes impulsadas por electrones”.

Kaminer comentó: «la radiación emitida por los electrones es un fenómeno ‘antiguo’ que se ha investigado durante más de cien años y se asimiló a la tecnología hace mucho tiempo, siendo un ejemplo el horno de microondas doméstico.

Durante muchos años parecía que ya habíamos descubierto todo lo que había que saber sobre la radiación de electrones, por lo que se arraigó la idea de que este tipo de radiación ya había sido completamente descrita por la física clásica.

En marcado contraste con este concepto, el aparato experimental que construimos permite revelar la naturaleza cuántica de la radiación de electrones.

El nuevo experimento que ahora se publicó explora la naturaleza fotónica cuántica de la radiación de electrones.

El experimento es parte de un cambio de paradigma en la forma en que entendemos esta radiación y, más ampliamente, la relación entre los electrones y la radiación que emiten.

Por ejemplo, ahora entendemos que los electrones libres pueden enredarse con los fotones que emiten.

Es a la vez sorprendente y emocionante ver signos de este fenómeno en el experimento”.

Según Shai Tsesses, «en el nuevo experimento de Yuval Adiv forzamos a los electrones a viajar cerca de una superficie fotónico-plasmónica que planeé en base a una técnica desarrollada en el laboratorio del Prof. Chico Bartal.

La velocidad de los electrones se fijó con precisión para obtener una gran fuerza de acoplamiento, mayor que la obtenida en situaciones normales, donde el acoplamiento es a la radiación en tres dimensiones.

En el corazón del proceso, observamos la naturaleza cuántica espontánea de la emisión de radiación, obtenida en paquetes discretos de energía llamados fotones.

De esta forma, el experimento arroja nueva luz sobre la naturaleza cuántica de los fotones”.

 

Fuente: Latam Israel
https://latamisrael.com/la-radiacion-de-cherenkov-y-el-futuro-de-las-aplicaciones-cuanticas/