Una nueva teoría revela la forma de un solo fotón

Los fotones (partículas individuales de luz) han sido explorados con un nivel de detalle sin precedentes para mostrar cómo son emitidos por átomos o moléculas y cómo son moldeados por su entorno.

La naturaleza de esta interacción da lugar a infinitas posibilidades de que la luz exista y se propague, o viaje, a través de su entorno circundante. Sin embargo, esta posibilidad ilimitada hace que las interacciones sean excepcionalmente difíciles de modelar y es un desafío que los físicos cuánticos han estado trabajando para abordar durante varias décadas.

Al agrupar estas posibilidades en conjuntos distintos, un equipo de la Universidad de Birmingham pudo producir un modelo que describe no solo las interacciones entre el fotón y el emisor, sino también cómo la energía de esa interacción viaja hacia el "campo lejano" distante. Al mismo tiempo, pudieron utilizar sus cálculos para producir una visualización del fotón en sí.

El primer autor, el Dr. Benjamin Yuen, de la Facultad de Física y Astronomía de la Universidad, explicó en un comunicado: "Nuestros cálculos nos permitieron convertir un problema aparentemente insoluble en algo que se puede calcular. Y, casi como un subproducto 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, según explican los autores en un artículo publicado en Physical Review Letters. 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 la forma en que nos comunicamos de forma segura, detectamos patógenos o controlamos reacciones químicas a nivel molecular, por ejemplo.

La coautora, la profesora Angela Demetriadou, también de la Universidad de Birmingham, dijo: "La geometría y las propiedades ópticas del entorno tienen profundas consecuencias en la forma en que se emiten los fotones, incluida la definición de la forma, el 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 se irradia la luz hacia su entorno cercano y lejano. Anteriormente, se pensaba que gran parte de esta información era simplemente "ruido", pero hay tanta información dentro de ella que ahora podemos interpretarla y utilizarla. Al comprender esto, sentamos las bases para poder diseñar interacciones entre la luz y la materia para futuras aplicaciones, como mejores sensores, células de energía fotovoltaica mejoradas o computación cuántica".