Imagen simultánea de la interferencia espacial y la cuantización energética de la luz. Imagen: Fabrizio Carbone. Fuente: EPFL.
La mecánica cuántica nos dice que la luz puede comportarse al mismo tiempo como partícula y como onda. Sin embargo, nunca ha habido un experimento capaz de capturar ambas naturalezas de la luz al mismo tiempo; el más cercano que hemos llegado es verla como onda o como partícula, pero siempre en momentos diferentes.
Adoptando un enfoque experimental radicalmente diferente, científicos de la EPFL (Escuela Politécnica Federal de Lausana, Suiza) han sido capaces de tomar la primera instantánea de la luz comportándose como onda y partícula a la vez. La novedosa investigación se publica en Nature Communications.
Cuando la luz ultravioleta golpea una superficie de metal, causa una emisión de electrones. Albert Einstein explicó este efecto "fotoeléctrico" proponiendo que la luz -que se pensaba que era solamente una onda- es también un flujo de partículas. A pesar de que una gran variedad de experimentos han observado con éxito tanto los comportamientos de onda como los de partícula, nunca han podido observar ambos al mismo tiempo.
Un nuevo enfoque en un efecto clásico
Un equipo de investigación dirigido por Fabrizio Carbone ha llevado a cabo un experimento con un giro astuto: Usar electrones para obtener una imagen de la luz. Los investigadores han capturado, por primera vez en la historia, una sola instantánea de la luz comportándose simultáneamente como una onda y como una corriente de partículas.
El experimento se ha configurado así: Un pulso de luz láser es disparado hacia un pequeño nanocable metálico. El láser añade energía a las partículas cargadas del nanocable, haciendo que vibren. La luz viaja a lo largo de este pequeño cable en dos direcciones posibles, como los coches en una autopista. Cuando las ondas que viajan en direcciones opuestas se encuentran, forman una nueva onda que parece que está detenida. Esta onda estacionaria se convierte en la fuente de luz para el experimento, irradiando alrededor del nanocable.
Adoptando un enfoque experimental radicalmente diferente, científicos de la EPFL (Escuela Politécnica Federal de Lausana, Suiza) han sido capaces de tomar la primera instantánea de la luz comportándose como onda y partícula a la vez. La novedosa investigación se publica en Nature Communications.
Cuando la luz ultravioleta golpea una superficie de metal, causa una emisión de electrones. Albert Einstein explicó este efecto "fotoeléctrico" proponiendo que la luz -que se pensaba que era solamente una onda- es también un flujo de partículas. A pesar de que una gran variedad de experimentos han observado con éxito tanto los comportamientos de onda como los de partícula, nunca han podido observar ambos al mismo tiempo.
Un nuevo enfoque en un efecto clásico
Un equipo de investigación dirigido por Fabrizio Carbone ha llevado a cabo un experimento con un giro astuto: Usar electrones para obtener una imagen de la luz. Los investigadores han capturado, por primera vez en la historia, una sola instantánea de la luz comportándose simultáneamente como una onda y como una corriente de partículas.
El experimento se ha configurado así: Un pulso de luz láser es disparado hacia un pequeño nanocable metálico. El láser añade energía a las partículas cargadas del nanocable, haciendo que vibren. La luz viaja a lo largo de este pequeño cable en dos direcciones posibles, como los coches en una autopista. Cuando las ondas que viajan en direcciones opuestas se encuentran, forman una nueva onda que parece que está detenida. Esta onda estacionaria se convierte en la fuente de luz para el experimento, irradiando alrededor del nanocable.
El truco del experimento
Aquí es donde viene el truco del experimento: Los científicos dispararon una corriente de electrones cerca del nanocable, usándolos para obtener una imagen de la onda estacionaria de luz. A medida que los electrones interactuaban con la luz confinada en los nanocables, o bien se aceleraban o se ralentizaban.
Utilizando el microscopio ultrarrápido para obtener una imagen de la posición en la que se producía este cambio de velocidad, el equipo de Carbone pudo visualizar la onda estacionaria, que actuaba como una huella dactilar de la naturaleza ondulatoria de la luz.
Si bien este fenómeno muestra la naturaleza de onda de la luz, demuestra simultáneamente su aspecto de partícula también. A medida que los electrones pasan cerca de la onda estacionaria de luz, "golpean" a las partículas de la luz, los fotones. Como se mencionó anteriormente, esto afecta a su velocidad, por lo que se mueven más rápido o más lento. Este cambio en la velocidad aparece como un intercambio de "paquetes" (cuantos) de energía entre electrones y fotones. El simple hecho de que existan estos paquetes de energía muestra que la luz del nanocable se comporta como una partícula.
"Este experimento demuestra que, por primera vez en la historia, podemos filmar la mecánica cuántica -y su naturaleza paradójica- directamente", afirma Carbone en la nota de prensa de la EPFL. Además, la importancia de este trabajo pionero puede extenderse más allá de la ciencia fundamental y de las tecnologías del futuro. Como explica Carbone: "Ser capaces de obtener una imagen y de controlar los fenómenos cuánticos en la escala nanométrica como hemos hecho abre una nueva ruta hacia la computación cuántica."
El trabajo es una colaboración entre el Laboratorio de Microscopía Ultrarrápida y Dispersión de Electrones de la EPFL, el Departamento de Física del Trinity College (Estados Unidos) y el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore.
Aquí es donde viene el truco del experimento: Los científicos dispararon una corriente de electrones cerca del nanocable, usándolos para obtener una imagen de la onda estacionaria de luz. A medida que los electrones interactuaban con la luz confinada en los nanocables, o bien se aceleraban o se ralentizaban.
Utilizando el microscopio ultrarrápido para obtener una imagen de la posición en la que se producía este cambio de velocidad, el equipo de Carbone pudo visualizar la onda estacionaria, que actuaba como una huella dactilar de la naturaleza ondulatoria de la luz.
Si bien este fenómeno muestra la naturaleza de onda de la luz, demuestra simultáneamente su aspecto de partícula también. A medida que los electrones pasan cerca de la onda estacionaria de luz, "golpean" a las partículas de la luz, los fotones. Como se mencionó anteriormente, esto afecta a su velocidad, por lo que se mueven más rápido o más lento. Este cambio en la velocidad aparece como un intercambio de "paquetes" (cuantos) de energía entre electrones y fotones. El simple hecho de que existan estos paquetes de energía muestra que la luz del nanocable se comporta como una partícula.
"Este experimento demuestra que, por primera vez en la historia, podemos filmar la mecánica cuántica -y su naturaleza paradójica- directamente", afirma Carbone en la nota de prensa de la EPFL. Además, la importancia de este trabajo pionero puede extenderse más allá de la ciencia fundamental y de las tecnologías del futuro. Como explica Carbone: "Ser capaces de obtener una imagen y de controlar los fenómenos cuánticos en la escala nanométrica como hemos hecho abre una nueva ruta hacia la computación cuántica."
El trabajo es una colaboración entre el Laboratorio de Microscopía Ultrarrápida y Dispersión de Electrones de la EPFL, el Departamento de Física del Trinity College (Estados Unidos) y el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore.
Referencia bibliográfica:
L Piazza, T.T.A. Lummen, E Quiñonez, Y Murooka, B.W. Reed, B Barwick, F Carbone: Simultaneous observation of the quantization and the interference pattern of a plasmonic near-field. Nature Communications (2015). DOI: 10.1038/ncomms7407.
L Piazza, T.T.A. Lummen, E Quiñonez, Y Murooka, B.W. Reed, B Barwick, F Carbone: Simultaneous observation of the quantization and the interference pattern of a plasmonic near-field. Nature Communications (2015). DOI: 10.1038/ncomms7407.