La forma de la luz: los científicos revelan la imagen de un fotón individual por primera vez
Utilizando una técnica innovadora, los investigadores han revelado la primera imagen detallada de un fotón (una única partícula de luz) jamás tomada.
Por Victoria Atkinson
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Una innovadora técnica ha revelado la primera imagen detallada de un fotón individual jamás tomada. (Crédito de la imagen: Ben Yuen y Angela Demetriadou)
Un equipo de investigadores de Birmingham ha creado la primera imagen de un fotón, una partícula de luz con forma de limón emitida desde la superficie de una nanopartícula. La teoría que hizo posible esta imagen, publicada el 14 de noviembre en la revista Physical Review Letters , permite a los científicos calcular y comprender varias propiedades de estas partículas cuánticas, lo que podría abrir un abanico de nuevas posibilidades en campos como la computación cuántica , los dispositivos fotovoltaicos y la fotosíntesis artificial.
El comportamiento cuántico de la luz está bien establecido, con más de 100 años de experimentos que demuestran que puede existir tanto en forma de onda como de partícula . Pero nuestra comprensión fundamental de esta naturaleza cuántica está mucho más atrasada, y solo tenemos una comprensión limitada de cómo se crean y emiten los fotones, o de cómo cambian a través del espacio y el tiempo.
"Queremos poder comprender estos procesos para aprovechar ese lado cuántico", dijo a Live Science en un correo electrónico el primer autor Ben Yuen , investigador de la Universidad de Birmingham en el Reino Unido. "¿Cómo interactúan realmente la luz y la materia a este nivel?"
Sin embargo, la naturaleza misma de la luz implica que la respuesta a esta pregunta tiene posibilidades casi ilimitadas. "Podemos pensar en un fotón como una excitación fundamental de un campo electromagnético", explicó Yuen. Estos campos son un continuo de diferentes frecuencias, cada una de las cuales podría excitarse potencialmente. "Puedes dividir un continuo en partes más pequeñas y entre dos puntos cualesquiera, todavía hay un número infinito de puntos posibles que puedes elegir", agregó Yuen.
El resultado es que las propiedades de un fotón dependen en gran medida de las propiedades de su entorno, lo que da lugar a cálculos increíblemente complejos. "A primera vista, tendríamos que escribir y resolver un número infinito de ecuaciones para llegar a una respuesta", dijo Yuen.
Para abordar esta tarea aparentemente imposible, Yuen y la coautora Angela Demetriadou , profesora de nanofotónica teórica en la Universidad de Birmingham, emplearon un inteligente truco matemático para simplificar drásticamente las ecuaciones.
La introducción de números imaginarios (múltiplos de la imposible raíz cuadrada de -1) es una herramienta poderosa para manejar ecuaciones complejas. La manipulación de estos componentes imaginarios permite que muchos de los términos difíciles de la ecuación se cancelen entre sí. Siempre que todos los números imaginarios se conviertan nuevamente en números reales antes de llegar a la solución, esto deja un cálculo mucho más manejable.
"Hemos transformado ese continuo de frecuencias reales en un conjunto discreto de frecuencias complejas", explicó Yuen. "Al hacerlo, simplificamos las ecuaciones de un continuo en un conjunto discreto que podemos manejar. Podemos introducirlas en una computadora y resolverlas".
El equipo utilizó estos nuevos cálculos para modelar las propiedades de un fotón emitido desde la superficie de una nanopartícula, describiendo las interacciones con el emisor y cómo el fotón se propagaba alejándose de la fuente. A partir de estos resultados, el equipo generó la primera imagen de un fotón, una partícula con forma de limón nunca antes vista en física.
Yuen, sin embargo, recalcó que se trata únicamente de la forma de un fotón generado en estas condiciones. "La forma cambia completamente con el entorno", afirmó. "Éste es realmente el objetivo de la nanofotónica: al moldear el entorno, podemos moldear realmente el fotón mismo".
Los cálculos del equipo proporcionan una visión fundamental de las propiedades de esta partícula cuántica, conocimiento que, según Yuen, abrirá nuevas líneas de investigación para físicos, químicos y biólogos por igual.
"Podríamos pensar en dispositivos optoelectrónicos, fotoquímica, captación de luz y energía fotovoltaica, comprensión de la fotosíntesis, biosensores y comunicación cuántica", dijo Yuen. "Y habrá toda una serie de aplicaciones desconocidas. Al hacer este tipo de teoría realmente fundamental, se abren nuevas posibilidades en otras áreas".
Victoria Atkinson
Colaborador de Live Science
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Victoria Atkinson es una periodista científica independiente, especializada en química y su relación con el mundo natural y el creado por el hombre. Actualmente reside en York (Reino Unido), trabajó como desarrolladora de contenido científico en la Universidad de Oxford y, más tarde, como miembro del equipo editorial de Chemistry World. Desde que se convirtió en periodista independiente, Victoria ha ampliado su enfoque para explorar temas de todas las ciencias y también ha trabajado con Chemistry Review, Neon Squid Publishing y la Open University, entre otros. Tiene un doctorado en química orgánica de la Universidad de Oxford.
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