La foto que nos mostró la paradójica realidad de la mecánica cuántica

 

La luz se comporta tanto como una partícula como una onda. Desde los días de Einstein, los científicos han estado tratando de observar directamente ambos aspectos de la luz al mismo tiempo. A principios del pasado año, los científicos de la EPFL capturaron la primera foto de este doble comportamiento.

La mecánica cuántica nos dice que la luz puede comportarse simultáneamente como una partícula o como una onda. Sin embargo, nunca ha habido un experimento capaz de capturar ambas naturalezas de luz al mismo tiempo. Lo más cercano que hemos venido es ver onda o partícula, pero siempre en momentos diferentes.

Tomando un enfoque experimental radicalmente diferente, los científicos del instituto EPFL han sido capaces de tomar la primera fotografía de la luz que se comporta tanto como una onda y como una partícula. El trabajo de este avance se publicó en la “journal” Nature Communications.

Cuando la luz UV golpea una superficie metálica, causa una emisión de electrones. Albert Einstein explicó este efecto “fotoeléctrico” al proponer que la luz pensada como sólo una onda es también una corriente de partículas. A pesar de que una variedad de experimentos han observado con éxito tanto las partículas y ondas de comportamiento de la luz, que nunca han sido capaces de observar los dos al mismo tiempo.

Un equipo de investigación liderado por Fabrizio Carbone en EPFL ha llevó a cabo un experimento con un giro inteligente: el uso de electrones para la imagen de la luz. Los investigadores han capturado, por primera vez, una sola foto de la luz que se comporta simultáneamente como una onda y una corriente de partículas.

experimento de imagen de la luz

El experimento se establece de esta manera: un pulso de luz láser se dispara a un diminuto nanofijo metálico. El láser añade energía a las partículas cargadas en el nanocable, haciendo que vibren. La luz viaja a lo largo de este diminuto alambre en dos direcciones posibles, como los carros en una carretera.

Cuando las ondas que viajan en direcciones opuestas se encuentran, forman una nueva ola que parece estar en su lugar. Aquí, esta onda estacionaria se convierte en la fuente de luz para el experimento, irradiando alrededor del nanocable.

microscopio ultrarapido
Microscopio Ultrarápido

De esta forma es donde entra en juego el truco del experimento. Los científicos dispararon una corriente de electrones cerca del nanocable, utilizandola para capturar la imagen de la onda estacionaria de luz. A medida que los electrones interactuaban con la luz confinada en el nanofijo, aceleraban o disminuían la velocidad.

Utilizando el microscopio ultrarrápido para visualizar la posición en la que se produjo este cambio de velocidad, el equipo de Carbone podía ahora visualizar la onda estacionaria, que actúa como una huella digital de la naturaleza ondulatoria de la luz.

Mientras que este fenómeno muestra la naturaleza ondulatoria de la luz, simultáneamente demostró su aspecto de partícula también. A medida que los electrones pasan cerca de la onda permanente de luz, “golpean” las partículas de la luz, los fotones.

Como se mencionó anteriormente, esto afecta su velocidad, haciendo que se muevan más rápido o más lento. Este cambio de velocidad aparece como un intercambio de “paquetes” de energía (quanta) entre electrones y fotones. La aparición misma de estos paquetes de energía muestra que la luz sobre el nanohilo se comporta como una partícula.

“Este experimento demuestra que, por primera vez, podemos filmar la mecánica cuántica y su naturaleza paradójica directamente”, dice Fabrizio Carbone. Además, la importancia de este trabajo pionero puede extenderse más allá de la ciencia fundamental y de las tecnologías futuras. Como explica Carbone: “Ser capaz de imaginar y controlar fenómenos cuánticos a escala nanométrica de este modo abre una nueva ruta hacia la computación cuántica”.

Fuente: Phys.org

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