Científicos han logrado capturar la primera instantánea del doble comportamiento de la luz como partícula y como onda, un objetivo perseguido desde los tiempos de Einstein.
La mecánica cuántica nos dice que la luz puede comportarse simultáneamente como una partícula o una onda. Sin embargo, nunca ha habido un experimento capaz de capturar ambas naturalezas de luz al mismo tiempo. Lo más cerca que hemos llegado es ver ondas o partículas, pero siempre en diferentes momentos.
Cuando la luz ultravioleta golpea una superficie metálica, provoca una emisión de electrones. Albert Einstein explicó este efecto "fotoeléctrico" al proponer que la luz, que se cree que es solo una onda, es también una corriente de partículas. A pesar de que una variedad de experimentos han observado con éxito los comportamientos de la luz en forma de partículas y ondas, nunca han podido observar ambos al mismo tiempo.
Un equipo de investigación dirigido por Fabrizio Carbone en EPFL (Escuela Politécnica Federal de Lausana) ha llevado a cabo un experimento con un giro inteligente: el uso de electrones para obtener imágenes de luz. Los investigadores han capturado, por primera vez, una instantánea de luz que se comporta simultáneamente como una onda y una corriente de partículas. El trabajo se publica en Nature Communications.
El experimento se configura de esta manera: se dispara un pulso de luz láser a un pequeño nanocable metálico. El láser agrega energía a las partículas cargadas en el nanocable, haciendo que vibren. La luz viaja a lo largo de este pequeño cable en dos direcciones posibles, como los automóviles en una carretera. Cuando las ondas que viajan en direcciones opuestas se encuentran, forman una nueva onda que parece estar en su lugar. Aquí, esta onda estacionaria se convierte en la fuente de luz para el experimento, irradiando alrededor del nanocable.
Aquí es donde entra el truco del experimento: los científicos dispararon una corriente de electrones cerca del nanocable, usándolos para obtener imágenes de la onda estacionaria de luz. A medida que los electrones interactuaban con la luz confinada del nanocable, se aceleraban o disminuían su velocidad. Usando el microscopio ultrarrápido para obtener una imagen de la posición donde ocurrió este cambio en la velocidad, el equipo de Carbone pudo visualizar la onda estacionaria, que actúa como una huella dactilar de la naturaleza ondulatoria de la luz.
Si bien este fenómeno muestra la naturaleza ondulatoria de la luz, también demostró simultáneamente su aspecto de partículas. A medida que los electrones pasan cerca de la onda estacionaria de luz, "golpean" las partículas de luz, los fotones. Como se mencionó anteriormente, esto afecta su velocidad, haciéndolos moverse más rápido o más lento. Este cambio en la velocidad aparece como un intercambio de "paquetes" de energía (cuantos) entre electrones y fotones. La sola aparición de estos paquetes de energía muestra que la luz en el nanocable se comporta como una partícula.
"Este experimento demuestra que, por primera vez, podemos filmar la mecánica cuántica, y su naturaleza paradójica, directamente", dice Fabrizio Carbone. Además, la importancia de este trabajo pionero puede extenderse más allá de la ciencia fundamental y las tecnologías futuras. Como explica Carbone: "Ser capaz de generar imágenes y controlar fenómenos cuánticos a escala nanométrica de este modo abre una nueva ruta hacia la computación cuántica".
