Los fotones, las partículas que componen la luz, tienen su propia forma. Y hoy por fin sabemos cuál es gracias a los físicos de la Universidad de Birmingham, que en sus laboratorios han logrado definir por primera vez en la historia la forma precisa de un solo fotón en el momento de su emisión. Los detalles se han publicado en la revista Physical Review Letters.
Dadas las posibilidades que tiene la luz de existir y propagarse por su entorno, las interacciones que ocurren entre los propios fotones son excepcionalmente difíciles de modelar y resulta extremadamente complejo calcular su forma. En el nuevo estudio, dada tal problemática, los investigadores decidieron explorar la naturaleza de los fotones para poder mostrar de qué manera son emitidos por átomos y moléculas y cómo son modelados por su entorno. En concreto, los científicos investigaron una teoría que explica cómo interactúan la luz y la materia a nivel cuántico, creando así una visualización matemáticamente exacta de la forma de un fotón. “La visualización es una simulación exacta de un fotón emitido por un átomo que está en la superficie de una nanopartícula [de silicio]”, comentó a New Atlas el coautor Benjamin Yuen. “Nuestros cálculos nos permitieron convertir un problema aparentemente irresoluble en algo que se puede calcular. Pudimos producir esta imagen de un fotón, algo que nunca se había visto en física”.
Pero expliquemos qué significa “la forma” de un fotón. Es algo difícil de definir puesto que no significa exactamente lo mismo que poder ilustrar la forma de un objeto normal, como un lápiz, por ejemplo. En este caso, significa más bien una distribución de intensidad, es decir, un mapa de dónde se puede esperar encontrar el fotón en un momento dado. “La forma del fotón está profundamente influida por la nanopartícula, lo que hace miles de veces más probable que el fotón sea emitido e incluso permite que sea reabsorbido por el átomo múltiples veces”, añade Yuen. “Además, y una de las cosas más extrañas de la mecánica cuántica, es que antes de que se detecte el fotón, ya existe toda la información detallada sobre esta distribución de intensidad a través de lo que llamamos una ‘función de onda’, que es exactamente lo que hemos podido descubrir”. La función de onda se refiere a un concepto fundamental de la física cuántica que describe el estado, en un momento dado, de un sistema; ayuda a definir la posición de una partícula subatómica a partir de la probabilidad de que la misma se encuentre en un lugar específico.
Los resultados del nuevo estudio son tan relevantes porque a partir de ellos aumenta enormemente nuestra comprensión de la manera en que interactúan la luz con la materia. Al tener la oportunidad de definir con precisión cómo interactúa un fotón con la materia y con otros elementos de su entorno, los científicos podrán, por ejemplo, diseñar nuevas tecnologías ‘nanofotónicas’ para la computación cuántica, sensores y células solares. “Este trabajo nos ayuda a comprender mejor el intercambio de energía entre la luz y la materia y a entender mejor cómo irradia la luz a su entorno cercano y lejano”, concluye Yuen. “Gran parte de esta información se consideraba antes simplemente ‘ruido’, pero hay tanto en ella que ahora podemos darle sentido y utilizarla. Al entender esto, sentamos las bases para poder diseñar interacciones luz-materia para aplicaciones futuras, como mejores sensores, células de energía fotovoltaica mejoradas o computación cuántica.”
baf
