El viaje de la luz: ¿se comporta igual tanto en el tiempo como en el espacio?

El experimento de la doble rendija es un experimento realizado a principios del siglo XIX por el físico inglés Thomas Young, con el objetivo de apoyar la teoría de que la luz era una onda y rechazar la teoría de que estaba formada por partículas. El trabajo indicó una interacción entre la radiación electromagnética y la materia completamente nueva, lo que podría ser la puerta de ingreso para el desarrollo de metamateriales, el análisis de agujeros negros e, incluso, los cristales de tiempo.

Young hizo pasar un haz de luz por dos rendijas y vio que sobre una pantalla se producía un patrón de interferencias, una serie de franjas brillantes y oscuras alternadas. Posteriormente este experimento se ha repetido en la física cuántica para demostrar el comportamiento ondulatorio de las partículas muy pequeñas, en la escala de los átomos. El mismo, se basa en materiales que pueden cambiar sus propiedades ópticas en fracciones de segundo, que podrían usarse en nuevas tecnologías o para explorar cuestiones fundamentales de la física.

Si bien Thomas Young, en la Royal Institution, mostró que la luz actúa como una onda, otros experimentos demostraron que la luz en realidad se comporta como una onda y como partículas, lo que revela su naturaleza cuántica. Estos experimentos tuvieron un profundo impacto en la física cuántica, mostrando la naturaleza dual de partículas y ondas no solo de la luz, sino también de los electrones, neutrones y átomos completos.

El equipo de físicos del Imperial College de Londres realizó el experimento utilizando rendijas en el tiempo en lugar del espacio. Lo lograron disparando luz a través de un material que cambia sus propiedades en femtosegundos (cuatrillones de segundo), permitiendo que la luz solo pase en momentos específicos en rápida sucesión.

Nuestro experimento revela más sobre la naturaleza fundamental de la luz al tiempo que sirve como un trampolín para crear los materiales definitivos que pueden controlar minuciosamente la luz tanto en el espacio como en el tiempo. Los detalles del trabajo fueron publicados en Nature Physics.

El viaje de la luz

La configuración original implicaba dirigir la luz a una pantalla opaca con dos finas rendijas paralelas. Detrás de la pantalla había un detector de la luz que pasaba. Para viajar a través de las aberturas como una onda, la luz se divide en dos que pasan por cada rendija. Cuando estas ondas se cruzan de nuevo en el otro lado, interfieren entre sí. Donde se encuentran los picos de la ola, se potencian, pero donde se encuentran un pico y un valle, se anulan. Esto crea un patrón rayado en el detector de regiones de más y menos luminosidad.

La luz también se puede dividir en partículas llamadas fotones, que se pueden registrar golpeando el detector uno a la vez, construyendo gradualmente el patrón de interferencia rayado. Incluso cuando se disparó solo un fotón, el patrón de interferencia emergió, como si éste se dividiera en dos y viajara a través de ambas rendijas.

En la versión clásica del experimento, la luz que emerge de las rendijas físicas cambia su dirección, por lo que el patrón de interferencia se escribe en el perfil angular de la luz. En cambio, las ranuras de tiempo en el nuevo experimento cambian la frecuencia de la luz, lo que altera su color. Esto creó tonos de luz que interfieren entre sí, realzando y cancelando ciertos tintes para producir un patrón de tipo interferencia. El material que utilizó el equipo fue una película delgada de óxido de indio y estaño, que forma la mayoría de las pantallas de los teléfonos móviles.

Durante el experimento, cambió su reflejo mediante láseres en escalas de tiempo ultrarrápidas, creando las rendijas para la luz. Respondió mucho más rápido de lo que el equipo esperaba al control del láser, variando su reflectividad en unos pocos femtosegundos. Esa una película de óxido de indio y estaño es un metamaterial diseñado para tener propiedades que no se encuentran en la naturaleza. Este control fino de la luz es una de las promesas de estos componentes y, cuando se combina con el control espacial, podría crear nuevas tecnologías e incluso para estudiar fenómenos físicos fundamentales como los agujeros negros.

El coautor John Pendry, especialista del Laboratorio Blackett del Departamento de Física perteneciente al Imperial College explicó: “El experimento de las rendijas de tiempo dobles abre la puerta a un estudio de la interacción entre la radiación electromagnética y la materia completamente nueva capaz de resolver la estructura temporal de un pulso de luz en la escala de un período de la radiación”. Con lo cual, se podrá avanzar hacia la exploración del fenómeno en un “cristal de tiempo”, que es análogo a un cristal atómico, pero donde las propiedades ópticas varían con el tiempo.

El equipo de trabajo del Imperial College se completó con Romain Tirol, Stefano Vezzoli, Emmanuel Galiff, Iain Robertson, Seca Mauricio, Benjamín Tilmann y Stefan A. Maier.

*Ricardo Sapienza, autor principal, integrante del Laboratorio Blackett y profesor en el Departamento de Física de la Facultad de Ciencias Naturales, del Imperial College London, Londres, Reino Unido

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