Revelada por primera vez la forma precisa de un solo fotón
Una nueva investigación explora la naturaleza de los fotones con un detalle sin precedentes.
Por Enrique Coperías
Una nueva teoría que explica cómo interactúan la luz y la materia a nivel cuántico ha permitido a los investigadores definir por primera vez la forma precisa de un solo fotón. Crédito: Dr. Benjamín Yuen
Una nueva teoría ha transformado nuestra comprensión de cómo interactúan la luz y la materia a nivel cuántico, y ha permitido a los físicos definir por primera vez la forma precisa de un fotón. Una investigación dirigida por la Universidad de Birmingham, en el reino Unido, y publicada en la revista Physical Review Letters profundiza en la intrincada naturaleza de los fotones, las partículas fundamentales de la luz. Y lo han hecho con un detalle sin precedentes para mostrar cómo son emitidos por átomos o moléculas y moldeados por su entorno.
La naturaleza de esta interacción da lugar a infinitas posibilidades de que la luz exista y se propague —o viaje— por el entorno que la rodea. Esta posibilidad ilimitada, sin embargo, hace que las interacciones sean excepcionalmente difíciles de modelizar, y es un reto en el que los físicos cuánticos llevan trabajando varias décadas.
Al agrupar estas posibilidades en conjuntos distintos, el equipo de la Universidad de Birmingham logró elaborar un modelo que describe no solo las interacciones entre el fotón y el emisor, sino también cómo la energía de esa interacción viaja hasta el distante campo lejano. Al mismo tiempo, pudieron utilizar sus cálculos para producir una visualización del propio fotón.
La partícula portadora de todas las formas de radiación electromagnética
Recordemos que los fotones son partículas fundamentales de la luz y de otras formas de radiación electromagnética. Son cuasipartículas que no tienen masa en reposo, pero sí poseen energía y momento, y se mueven a la velocidad de la luz en el vacío, que es aproximadamente de 299.792 kilómetros por segundo.
Los fotones son los ladrillos de las ondas electromagnéticas y están involucrados en una amplia gama de fenómenos físicos, desde la luz visible y la ultravioleta hasta las microondas, los rayos X, las ondas de radio y los rayos gamma. En física moderna, el fotón es la partícula elemental responsable de las manifestaciones cuánticas del fenómeno electromagnético. Y, como todos los cuantos, el fotón presenta tanto propiedades corpusculares como ondulatorias. Es lo que se conoce como dualidad onda-corpúsculo.
Fotones emitidos en un rayo coherente por un láser. Cortesía: 彭家杰
«Nuestros cálculos nos permitieron convertir un problema aparentemente irresoluble en algo computable —dice Benjamin Yuen, de la Facultad de Física y coautor del estudio en una nota de prensa emitida por la Universidad de Birmingham—. Y, casi como un biproducto del modelo, pudimos producir una imagen de un fotón, algo que no se había visto antes en física».
El trabajo es importante porque abre nuevas vías de investigación para los físicos cuánticos y la ciencia de los materiales. Al poder definir con precisión cómo interactúa un fotón con la materia y con otros elementos de su entorno, los científicos pueden diseñar nuevas tecnologías nanofotónicas capaces, por ejemplo, de cambiar la forma en que nos comunicamos con seguridad, detectar agentes patógenos o controlar reacciones químicas a nivel molecular.
En palabras de la coautora del trabajo, la profesora Angela Demetriadou, también de la Universidad de Birmingham, «la geometría y las propiedades ópticas del entorno tienen profundas consecuencias en la forma en que se emiten los fotones, ya que definen su forma, color e incluso la probabilidad de que existan».
«Esta insvestigación nos ayuda, en primer lugar, a aumentar nuestra comprensión del intercambio de energía entre la luz y la materia ,y, en segundo lugar, a entender mejor cómo irradia la luz a su entorno cercano y lejano —explica Yuen. Y continúa—: Hasta hoy, gran parte de esta información se consideraba ruido, pero ahora podemos entenderla y utilizarla. Al entender esto, sentamos las bases para poder diseñar interacciones luz-materia para aplicaciones futuras, como mejores sensores, células fotovoltaicas mejoradas o computación cuántica».▪️
Información facilitada por la Universidad de Birmingham
Fuente: Ben Yuen and Angela Demetriadou. Exact Quantum Electrodynamics of Radiative Photonic Environments. Physical Review Letters (2024). DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.203604
