La forma de la luz: los científicos revelan por primera vez la imagen de un fotón individual
Utilizando una nueva e innovadora técnica, los investigadores han desvelado la primera imagen detallada de un fotón (una sola partícula de luz) jamás tomada.
Investigadores de Birmingham han 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 una gama de nuevas posibilidades en todos los 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 atrás, y sólo tenemos una comprensión limitada de cómo se crean y emiten los fotones, o de cómo cambian a través del espacio y el tiempo.
"Queremos ser capaces de 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 propia naturaleza de la luz hace que la respuesta a esta pregunta tenga posibilidades casi ilimitadas. "Podemos pensar que un fotón es una excitación fundamental de un campo electromagnético", explicó Yuen. Estos campos son un continuo de diferentes frecuencias, cada una de las cuales podría potencialmente excitarse. "Puedes dividir un continuo en partes más pequeñas y entre dos puntos cualesquiera, todavía hay un número infinito de puntos posibles que puedes elegir", añadió Yuen.
El resultado es que las propiedades de un fotón dependen en gran medida de las propiedades de su entorno, lo que lleva a una matemática increíblemente compleja. "A primera vista, tendríamos que escribir y resolver un número infinito de ecuaciones para llegar a una respuesta", dijo Yuen.
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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.
Introducir números imaginarios (múltiplos de la raíz cuadrada imposible de -1) es una herramienta poderosa cuando se manejan 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 a números reales antes de llegar a la solución, esto deja un cálculo mucho más manejable.
"Transformamos ese continuo de frecuencias reales en un conjunto discreto de frecuencias complejas", explicó Yuen. "Al hacer eso, simplificamos las ecuaciones de un continuo a un conjunto discreto que podemos manejar. Podemos ponerlas 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 propagó lejos 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 destacó, sin embargo, que se trata sólo de la forma de un fotón generado en estas condiciones. "La forma cambia completamente con el entorno", afirmó. "Este es realmente el objetivo de la nanofotónica: que al moldear el entorno, realmente podemos moldear el fotón mismo".
Los cálculos del equipo proporcionan una visión fundamental de las propiedades de esta partícula cuántica, conocimiento que Yuen cree que 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 una gran cantidad de aplicaciones desconocidas. Al aplicar este tipo de teoría realmente fundamental, se abren nuevas posibilidades en otras áreas".