Un equipo de
investigadores polacos han conseguido crear, por primera vez en la historia, el
holograma de una partícula individual 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 difícil 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 llamó fotones.
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: abc,
España.
