Una nueva teoría revela qué forma tienen los fotones

Una nueva teoría que explica cómo interactúan la luz y la materia a nivel cuántico ha permitido a los investigadores definir por primera vez la forma precisa de un fotón aislado

Los fotones son las partículas fundamentales que componen la luz y otros tipos de radiación electromagnética, como los rayos X, las microondas o las ondas de radio. Son pequeños «paquetes» de energía que no tienen masa ni carga eléctrica, pero sí poseen propiedades como la velocidad (siempre viajan a la velocidad de la luz en el vacío, que es de aproximadamente 300.000 km/s), la frecuencia y la longitud de onda, que determinan su color o tipo de radiación.

Además, los fotones tienen una dualidad curiosa: a veces se comportan como partículas y otras como ondas, dependiendo de cómo los observemos. Esta característica es clave en la física cuántica y explica fenómenos como el brillo de las estrellas o cómo funcionan los paneles solares. Pero hasta ahora faltaba una cosa por saber: qué forma tienen.

Una investigación de la Universidad de Birmingham, publicada en Physical Review Letters, ha explorado la naturaleza de los fotones (partículas individuales de luz) con un detalle sin precedentes para mostrar cómo son emitidos por átomos o moléculas y moldeados por su entorno.

La naturaleza de esta interacción da lugar a infinitas posibilidades de que la luz exista y se propague, o viaje, por el entorno que la rodea. Esta posibilidad ilimitada, sin embargo, hace que las interacciones sean excepcionalmente difíciles de modelizar, y es un reto que los físicos cuánticos llevan varias décadas tratando de resolver.

Al agrupar estas posibilidades en conjuntos distintos, el equipo de Birmingham pudo elaborar un modelo que describe no sólo las interacciones entre el fotón y el emisor, sino también cómo viaja la energía de esa interacción al «campo lejano» distante.

Al mismo tiempo, pudieron utilizar sus cálculos para producir una visualización del propio fotón.

La foto del fotón

El primer autor, el Dr. Benjamin Yuen, de la Facultad de Física de la Universidad, explicó: «Nuestros cálculos nos han permitido convertir un problema aparentemente irresoluble en algo que se puede calcular. Y, casi como un producto desrivado del modelo, pudimos producir esta imagen de un fotón, algo que no se había visto antes en física».

El trabajo es importante porque abre nuevas vías de investigación para los físicos cuánticos y la ciencia de los materiales. Al poder definir con precisión cómo interactúa un fotón con la materia y con otros elementos de su entorno, los científicos pueden diseñar nuevas tecnologías nanofotónicas que podrían cambiar nuestra forma de comunicarnos de forma segura, detectar patógenos o controlar reacciones químicas a nivel molecular, por ejemplo.

En palabras de la coautora, la profesora Angela Demetriadou, también de la Universidad de Birmingham: «La geometría y las propiedades ópticas del entorno tienen profundas consecuencias en la forma en que se emiten los fotones, ya que definen su forma, color e incluso la probabilidad de que existan».

El Dr. Benjamin Yuen, añadió: «Este trabajo nos ayuda a aumentar nuestra comprensión del intercambio de energía entre la luz y la materia y, en segundo lugar, a entender mejor cómo irradia la luz a su entorno cercano y lejano. Hasta ahora, gran parte de esta información se consideraba «ruido», pero ahora podemos entenderla y utilizarla. Al entender esto, sentamos las bases para poder diseñar interacciones luz-materia para aplicaciones futuras, como mejores sensores, células fotovoltaicas mejoradas o computación cuántica».

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