La forma de la luz: Científicos revelan imagen de un fotón individual por primera vez

Utilizando una técnica revolucionaria, los investigadores han revelado la primera imagen detallada de un fotón —una única partícula de luz— jamás capturada.

La primera imagen de un fotón individual. Crédito: Benjamin Yuen.

Una investigación de la Universidad de Birmingham, publicada en Physical Review Letters, ha explorado la naturaleza de los fotones con un nivel de detalle sin precedentes, revelando cómo son emitidos por átomos o moléculas y cómo su forma se ve influida por el entorno que los rodea.

La naturaleza de esta interacción genera infinitas posibilidades para que la luz exista y se propague a través de su entorno. Sin embargo, esta amplitud de posibilidades hace que estas interacciones sean extremadamente difíciles de modelar, un desafío que los físicos cuánticos llevan décadas intentando resolver.

El equipo de Birmingham logró agrupar estas posibilidades en conjuntos distintos, lo que les permitió desarrollar un modelo que describe no solo las interacciones entre el fotón y el emisor, sino también cómo la energía de esa interacción se desplaza hacia el «campo lejano».

Al mismo tiempo, utilizaron sus cálculos para crear una visualización del propio fotón.

«Con nuestros cálculos logramos transformar un problema que parecía irresoluble en algo computable. Y, casi como un subproducto del modelo, pudimos generar esta imagen de un fotón, algo que nunca antes se había visto en física», explicó el Dr. Benjamin Yuen, primer autor del estudio y miembro de la Escuela de Física y Astronomía de la universidad.

Gráfico que muestra la intensidad de campo esperada para diferentes radios de interacción de fotones. Crédito: Yuen et al., Physical Review Letters, 2024.

Este trabajo es crucial porque abre nuevas vías de investigación para los físicos cuánticos y las ciencias de materiales. Al definir con precisión cómo interactúa un fotón con la materia y otros elementos de su entorno, los científicos pueden diseñar nuevas tecnologías nanofotónicas que podrían revolucionar áreas como la comunicación segura, la detección de patógenos o el control de reacciones químicas a nivel molecular.

«La geometría y las propiedades ópticas del entorno tienen profundas implicaciones en cómo se emiten los fotones, definiendo su forma, color e incluso la probabilidad de que existan», señaló la profesora Angela Demetriadou, coautora del estudio y también de la Universidad de Birmingham.

«Este trabajo nos ayuda a comprender mejor el intercambio de energía entre la luz y la materia, y también cómo la luz se irradia hacia sus alrededores cercanos y lejanos. Mucha de esta información se consideraba anteriormente como “ruido”, pero ahora sabemos que contiene datos valiosos que podemos interpretar y aprovechar. Al comprender esto, estamos sentando las bases para diseñar interacciones entre la luz y la materia para aplicaciones futuras, como sensores más avanzados, células fotovoltaicas mejoradas o la computación cuántica», concluyó el Dr. Yuen.

Fuente: Birmingham. Edición: MP.