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» » Primera fotografía de la luz como partícula y onda a la vez

Referencia: Science Daily.com, 2 de marzo 2015
* * * *
La mecánica cuántica nos dice que la luz se comporta ora como partícula ora como una onda. Desde la época de Einstein, los científicos han estado tratando de observar directamente estos dos aspectos de la luz al mismo tiempo. Ahora, han conseguido captar la primera instantánea de este comportamiento dual.

Una fotografía espacio-energética de la luz confinada
en un nanocable, que muestra a la vez tanto la
interferencia con la energía de cuantificación
espacial. Crédito: Fabrizio Carbone/EPFL
Lo más cercano que hemos llegado a la hora de capturar ambas naturalezas de la luz es verla como onda o partícula, pero siempre en momentos diferentes. Tomando un enfoque experimental, radicalmente diferente, los científicos de EPFL han podido tomar la primera instantánea de la luz comportarse de ambas formas al mismo tiempo. Este avance se publica en Nature Communications.

Cuando la luz UV golpea una superficie de metal, origina una emisión de electrones. Albert Einstein explicó este efecto "fotoeléctrico" proponiendo que la luz -pensando en sólo una onda- también es una corriente de partículas. A pesar de la variedad de experimentos que han observado ambos comportamientos aislados, nunca se han podido observar al mismo tiempo.

Un nuevo enfoque sobre un efecto clásico

Un equipo de investigación dirigido por Fabrizio Carbone en la EPFL, ha llevado a cabo un experimento de otra inteligente forma: Usando los electrones de la luz de la imagen. Así, los investigadores han capturado, por primera vez en la historia, una sola instantánea de la luz comportándose simultáneamente como onda y como corriente de partículas.

El experimento se ha configurado así: Se dispara un pulso de luz láser en un pequeño nanocable metálico. El láser suma 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 coches por una autopista. Cuando las ondas viajan en direcciones opuestas se reúnen entre sí formando una nueva onda que parece mantenerse en su lugar. Aquí, esta onda estacionaria se convierte a su vez, en una fuente de luz para el experimento, irradiando alrededor del nanocable.

Y he aquí donde viene el truco del experimento: Los científicos dispararon una corriente de electrones cerca de los nanocables, usándolos para la imagen de la onda estacionaria de la luz. Conforme los electrones interactúan con la luz confinada en los nanocables, o bien se aceleran o se ralentizan. Se usa entonces el microscopio ultrarrápido para fotografiar la posición en la que se produjo este cambio de velocidad, así, el equipo de Carbone, pudo visualizar la onda estacionaria, que actúa como firma de la naturaleza ondulatoria de la luz.

Si bien este fenómeno demuestra la naturaleza de onda de la luz, a su vez demostró su aspecto de partícula. Conforme los electrones pasan cerca de la onda estacionaria de luz, "golpean" las partículas de la luz, los fotones. Tal 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 energía "paquetes" (quanta) entre electrones y fotones. El mayor ocurrencia de estos paquetes de energía demuestra que la luz, en el nanocable, se comporta como una partícula.


"Este experimento demuestra que, por primera vez en la historia, podemos filmar directamente la mecánica cuántica, y su naturaleza paradójica", comenta Fabrizio Carbone. Además, la importancia de este trabajo pionero puede extenderse más allá de la ciencia fundamental y de las tecnologías del futuro. Tal como apunta Carbone: "La capacidad de imagen y control de los fenómenos cuánticos a la escala nanométrica nos abre una nueva ruta hacia la computación cuántica."

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- Vídeo animación: "Two-in-one photography: Light as wave and particle!", de EPFL
- Fuente: Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne.
- Publicación: 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; 6: 6407 DOI: 10.1038/ncomms7407.

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