Logran la primera imagen de una partícula de luz

Un rayo de sol entra por la ventana e ilumina la habitación. A primera vista no parece algo extraordinario, pero la Mecánica Cuántica nos dice que ese rayo luminoso está formado por trillones y trillones de pequeños «paquetes de luz» individuales, los fotones, moviéndose a 300.000 kilómetros por segundo. Sin embargo, nadie ha conseguido ver un fotón individual, ni saber qué forma tiene, si es que tiene alguna. Es más, podría ser que ni siquiera tenga sentido formularse esas preguntas.

Ahora, un equipo de investigadores polacos han conseguido crear, por primera vez en la historia de la Ciencia, el holograma de una partícula individual de luz. El hito, conseguido gracias a la observación de las interferencias que se producen cuando dos rayos de luz se cruzan, constituye un importante avance hacia la comprensión de la naturaleza íntima de la luz. Los resultados de este trabajo, además, podrían ser importantes para el desarrollo de tecnologías que necesiten comprender qué forma tiene un fotón, como sucede con las telecomunicaciones y los ordenadores cuánticos.

«Llevamos a cabo un experimento relativamente simple para medir y poder ver algo que es increíblemente difícl de observar», explica Radoslaw Chrapkiewicz, físico de la Universidad de Varsovia e investigador principal del estudio que se acaba de publicar en Nature Photonics.

Desde hace cientos de años, los físicos han trabajado muy duro para intentar comprender de qué está hecha la luz. Y en el siglo XIX el debate pareció quedar zanjado gracias a James Clerk Maxwell, que describió la luz como una onda electromagnética. Pero las cosas, en realidad, son bastante más complicadas, y a principios del siglo XX el físico alemán Max Planck, que por aquel entonces era compañero de su compatriota Albert Einstein, demostró que la luz estaba hecha de pequeños «paquetes» invisibles a los que llamófotones.

Años más tarde, en la década de 1920, el físico austríaco Erwin Schröedinger refinó estas ideas en su famosa ecuación de función de onda cuántica, capaz de predecir con extraordinaria precisión los resultados de experimentos con fotones. Un éxito, sin embargo, que no ha evitado que los físicos sigan preguntándose sobre el verdadero significado y naturaleza de esa función de onda. Ahora, y por primera vez, los investigadores de la Universidad de Varsovia han conseguido representar y medir las formas descritas por la ecuación de Schröedinger en un experimento real.

Los fotones, al desplazarse como ondas, pueden estar en la misma fase. Pero si interactúan, producen una señal brillante. Si por el contrario sus fases se oponen, entonces se anularán los unos a los otros. Es algo parecido a lo que sucede con las ondas sonoras emitidas por dos altavoces y que producen picos de sonido agudos y graves en una habitación.

La imagen obtenida por los científicos, llamada holograma porque lleva información tanto de la forma como de la fase de onda del fotón, fue creada disparando al mismo tiempo dos rayos de luz hacia un divisor de haz (un instrumento óptico que divide un rayo luminoso en dos). El divisor de haz se comporta como si fuera un cruce de carreteras, una intersección que cada fotón puede rodear o cruzar directamente, lo que depende de la forma de sus funciones de onda.

Para cada fotón individual, cualquiera de las dos posibles trayectorias es igualmente probable. Pero cuado dos fotones diferentes se aproximan a la vez a la intersección, ambos interactúan y el resultado varía por completo. De este modo, el equipo se dio cuenta de que si conociera la función de onda de uno de los dos fotones, sería fácil averiguar la forma de la segunda a partir de las posiciones de los destellos que se van produciendo en el detector. Sería algo así como disparar dos balas una contra otra y utilizar después sus trayectorias desviadas por la colisión para averiguar la forma de cada proyectil.

Cada nueva ronda del experimento producía dos destellos en el detector, uno para cada fotón. Y después de más de 2.000 repeticiones, empezó a aparecer un patrón en esos destellos, gracias al que los investigadores pudieron reconstruir la función de onda del segundo fotón.

La forma de la imagen resultante se parece a una cruz de Malta, y es exactamente la que predice la ecuación de función de onda de Schröedinger. En los brazos de la cruz, donde los fotones están en fase, la imagen es más brillante, mientras que las zonas en las que las fases se oponen aparecen más oscuras.

Para Michal Jachura, coautor del estudio, el experimento «nos lleva a estar un paso más cerca de comprender qué es realmente una función de onda», y podría constituir una nueva herramienta para estudiar las interacciones entre fotones, algo de suma utilidad a la hora de desarrollar tecnologías como las telecomunicaciones o la computación cuánticas.

Ahora, los investigadores tratarán de dar un paso más y recrear funciones de onda de objetos cuánticos más complejos, como por ejemplo, átomos completos. «Puede que las aplicaciones reales de la holografía cuántica tarden décadas en aparecer -concluye Konrad Banaszek, otro de los miembros del equipo-. Pero si hay algo de lo que podemos estar seguros es de que serán sorprendentes».

Fuente

Acerca de A. Arrieta

Físico egresado de la Universidad de Córdoba con sede en la Ciudad de Montería. Magister en Física de la Universidad Nacional de Colombia con sede en la ciudad de Medellín. Docente del Instituto Tecnológico Metropolitano (ITM) y docente adscrito a la Secretaría de Educación de Medellín. "Amarrar el conocimiento no te hace más sabio, en cambio compartirlo te hace más útil a la sociedad, trascender y no morir para siempre"
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