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Actualidad científica

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  • 11/03/2015

Física

Fotografían por primera vez el comportamiento dual de la luz

Mediante un microscopio electrónico se ha obtenido una instantánea que refleja, al mismo tiempo, el comportamiento ondulatorio y corpuscular de la luz.

Nature Communications

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Imagen de la luz confinada en un nanocable que muestra, simultáneamente, interferencia espacial y cuantización de la energía. [Fabrizio Carbone/EPFL]

La mecánica cuántica nos dice que la luz se puede comportar a la vez como partícula y como onda. Sin embargo, nunca antes se había logrado mostrar ambas naturalezas al mismo tiempo. Mediante un enfoque totalmente diferente al comúnmente empleado, científicos de la Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPFL) lograron captar la primera instantánea del comportamiento dual de la luz. Este trabajo acaba de publicarse en Nature Communications.

Una superficie metálica irradiada con luz ultravioleta emite electrones. Es el llamado efecto fotoeléctrico, explicado por Albert Einstein a principios del siglo pasado y por el cual obtuvo el premio Nóbel de física en 1921. La propuesta de Einstien fue que la luz no solo se comportaba como una onda —lo que se creía por entonces—, sino que también lo hacía como un chorro de partículas. Mediante una gran variedad de experimentos se ha observado el comportamiento ondulatorio y corpuscular de la luz, sin embargo los científicos nunca antes habían podido ver las dos cosas al mismo tiempo. Un equipo liderado por Fabrizio Carbone, de la EPFL, llevó a cabo un experimento de ese tipo pero con una nueva estrategia: usar electrones para «fotografiar» la luz.

El montaje experimental es el siguiente: un pulso láser se dirige hacia un diminuto nanocable suspendido en una película de grafeno. La luz del láser entrega energía a las partículas cargadas en el cable, haciendo que vibren. Como los automóviles en una autopista, la luz puede viajar por este pequeño cable en dos sentidos. Cuando las ondas que viajan en sentidos opuestos se encuentran e interactúan, forman patrones de interferencia. Sintonizando adecuadamente la polarización de la luz excitada en el cable, los investigadores pudieron controlar este patrón para generar una onda que parece quedarse quieta. Esta onda «estacionaria» es la que se convierte en la fuente de luz para el experimento, emitiendo radiación alrededor del nanocable.

Y aquí es donde viene el truco. Los investigadores lanzaron un chorro de electrones cerca del nanocable. A medida que estos interactúan con la luz confinada en el diminuto dispositivo, pueden acelerarse o desacelerarse. Mediante uno de los dos únicos microscopios electrónicos de transmisión ultrarrápida que hay en el mundo se registró la posición donde ocurría este cambio. Así, el equipo de Carbone pudo visualizar la onda estacionaria, que es justamente la huella característica de la naturaleza ondulatoria de la luz.

Pero, a la vez, este fenómeno también muestra el comportamiento corpuscular. A medida que los electrones pasan cerca de la onda estacionaria, golpean algunas partículas de luz (fotones). Y, como se mencionó anteriormente, ello afecta su velocidad haciendo que se muevan más rápido o más despacio. Este cambio en la velocidad se manifiesta mediante un intercambio de paquetes de energía (cuantos) entre los electrones y los fotones. La existencia de estos cuantos de energía demuestra que la luz también se comporta como una colección de partículas a lo largo del nanocable.

«Por primera vez en la historia, podemos registrar directamente la naturaleza paradójica de la mecánica cuántica», comenta Carbone. Además, la importancia y el impacto de este trabajo pionero puede extenderse más allá de la ciencia fundamental hacia futuras tecnologías mediante la comprensión de las propiedades fundamentales de campos electromagnéticos confinados, desarrollando, por ejemplo, circuitos fotónicos avanzados. Asimismo, «al ser capaces de controlar y generar imágenes de fenómenos cuánticos como este a escala nanométrica, estamos abriendo nuevas rutas hacia la computación cuántica», concluye el científico.

Más información en Nature Communications

Fuente: News Media EPFL