El fotón es la partícula fundamental que compone la luz, seguro que eso ya lo sabes. Aunque lo visualizamos como un punto sin masa o una onda, en realidad, su comportamiento y estructura va en contra de nuestras intuiciones. La interacción de los fotones con su entorno y su papel en sistemas cuánticos complejos son claves para aplicaciones tecnológicas avanzadas, como la computación cuántica y la óptica de precisión. Así que, conocer la “forma” del fotón puede dar pistas de cómo se comporta. Pero, ojo, ¿qué entendemos por “forma”?
Un reciente artículo publicado en Physical Review Letters ofrece una perspectiva revolucionaria sobre este tema. Investigadores de la Universidad de Birmingham han desarrollado un modelo que permite describir con precisión el comportamiento de los fotones dentro de dispositivos nanofotónicos. Este enfoque evita las limitaciones de modelos anteriores y una descripción exacta de sus propiedades y dinámicas.
¿Qué es un fotón?
El fotón es una partícula elemental sin masa que transporta la energía de la luz. Según la teoría cuántica, los fotones son tanto ondas como partículas, un concepto conocido como dualidad onda-partícula. Sin embargo, esta descripción tradicional no abarca cómo el fotón interactúa con entornos complejos, como los que encontramos en dispositivos nanofotónicos.
Los físicos han intentado durante años modelar estas interacciones mediante aproximaciones. Pero estas simplificaciones, aunque útiles, no son suficientes para describir sistemas donde la interacción luz-materia ocurre a niveles extremadamente pequeños y rápidos. Aquí es donde entra el nuevo modelo propuesto por Yuen y Demetriadou, firmantes del estudio.
¿Qué hace este modelo diferente?
Este modelo introduce el concepto de “pseudomodos“, una herramienta matemática que permite transformar las infinitas posibilidades de comportamiento del fotón en un conjunto finito y manejable de modos discretos. Los pseudomodos ayudan a entender cómo la luz interactúa con dispositivos como resonadores o nanocavidades.
A diferencia de las teorías anteriores, este enfoque no depende de suposiciones sobre el entorno del fotón, lo que significa que puede aplicarse a una amplia gama de geometrías y materiales. Los pseudomodos, aunque ya habían sido utilizados en estudios anteriores para tratar resonancias lorentzianas aisladas, han sido ampliados en este trabajo para abordar sistemas fotónicos complejos. Este avance permite modelar tanto el campo cercano como el lejano sin depender de un reservorio, capturando dinámicas cuánticas como correlaciones y efectos no Markovianos que antes no podían describirse con precisión. La generalización de los pseudomodos representa un enfoque innovador para entender las interacciones luz-materia en dispositivos avanzados como los resonadores nanofotónicos.
¿Qué descubrieron sobre la “forma” del fotón?
Como seres humanos podemos pensar en “forma plana” o “forma esférica”, por poner algunos ejemplos. Pero no va por ahí la investigación, tal vez no sea lo que esperas. Aunque el fotón no tiene una forma física en el sentido convencional, este modelo permite visualizar cómo su función de onda se distribuye en el espacio. La forma del fotón depende de su entorno, como el diseño geométrico de los dispositivos que lo confinan. Por ejemplo, en un resonador esférico, el fotón puede adoptar patrones de energía que reflejan las propiedades del material y su estructura.
Los autores han utilizado su modelo para analizar cómo interactúan los fotones en un microresonador de silicio. A raíz de esta modelización, ha podido descubrir que ciertos modos de resonancia, conocidos como resonancias de Mie, crean distribuciones de energía únicas que no se habían observado con tanta claridad antes. Esto refuerza la idea de que la “forma” del fotón es más una distribución matemática que un objeto físico definido.
¿Por qué este descubrimiento no es simplemente “más de lo mismo”?
Aquí hay gato encerrado, estarás preguntando. Esto ya se sabía… Es cierto que la idea de que las partículas cuánticas, como el fotón o el electrón, no tienen una posición definida y están descritas por funciones de onda es un concepto central de la mecánica cuántica. Ahí no hay nada nuevo Este principio establece que lo que conocemos como “forma” de una partícula es en realidad una distribución de probabilidad. Sin embargo, este estudio aporta algo nuevo: una herramienta matemática, los pseudomodos, que permite modelar con gran precisión cómo estas funciones de onda se comportan en entornos extremadamente complejos, como los resonadores nanofotónicos.
El avance aquí no está en redescubrir que el fotón tiene una extensión espacial definida por su función de onda, sino en detallar cómo esa extensión varía según el entorno geométrico y material. Este modelo permite observar y predecir fenómenos que antes solo podían aproximarse de forma burda, como las correlaciones cuánticas o los efectos no Markovianos en dispositivos ópticos avanzados. En esencia, se trata de aplicar con un nivel de detalle sin precedentes conceptos que ya conocemos, abriendo puertas a tecnologías más precisas y eficientes en campos como la fotónica y la computación cuántica.
¿Qué aplicaciones tiene este descubrimiento?
Las implicaciones de este trabajo son enormes. Una descripción más precisa de los fotones permite optimizar dispositivos para la computación cuántica, donde la luz se utiliza para transmitir y procesar información. Además, mejora los sensores ópticos, esenciales para aplicaciones médicas y científicas.
Otro campo beneficiado es la fotónica, que utiliza luz para desarrollar tecnologías como telecomunicaciones avanzadas y energías renovables. Al entender mejor cómo los fotones interactúan con diferentes materiales, es posible diseñar dispositivos más eficientes y versátiles.
Referencias
- Ben Yuen y Angela Demetriadou, “Exact Quantum Electrodynamics of Radiative Photonic Environments,” Physical Review Letters, Vol. 133, No. 20, DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.203604
Cortesía de Muy Interesante
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