Primera fotografía de la luz como partícula y onda a la vez

La mecánica cuántica nos dice que la luz puede comportarse al mismo tiempo como una partícula o una onda. Sin embargo, nunca ha habido un experimento capaz de capturar ambas naturalezas de la luz al mismo tiempo; lo más cerca que hemos llegado es ver la luz como onda o partícula, pero siempre en momentos diferentes. Tomando un enfoque experimental radicalmente diferente, los científicos del EPFL ahora han sido capaces de tomar la primera instantánea de la luz en que se comporta tanto como onda y como una partícula. El hito se publica en Nature Communications.

Cuando la luz ultravioleta golpea una superficie de metal, causa una emisión de electrones. Albert Einstein explicó este efecto "fotoeléctrico" proponiendo que la luz - se cree que sólo una onda - es también una corriente de partículas. A pesar de que una gran variedad de experimentos han observado con éxito tanto los comportamientos de partículas como de ondas de la luz, nunca habían podido observar las dos cosas al mismo tiempo.

Un equipo de investigación dirigido por Fabrizio Carbone en la EPFL ha llevado a cabo un experimento con un giro inteligente: el uso de electrones a la luz de la imagen. Los investigadores han capturado, por primera vez en la historia, una sola instantánea de la luz comportándose simultáneamente como una onda y una corriente de partículas, explica la EPFL en un comunicado.

El experimento se ha configurado así: Un pulso de luz láser es disparado a nanocables metálicos. El láser añade energía a las partículas cargadas en el nanocable, haciendo que vibren. La luz viaja a lo largo de este pequeño alambre en dos direcciones posibles, como los coches en una autopista. Cuando las ondas que viajan en direcciones opuestas se reúnen entre sí forman una nueva ola que parece que está de pie en su lugar. Aquí, esta onda estacionaria se convierte en la fuente de luz para el experimento, irradiando alrededor del nanocable.

Aquí es donde llega el truco del experimento: Los científicos dispararon una corriente de electrones cerca de los nanocables, usándolos para la imagen de la onda estacionaria de la luz. Como los electrones interactúan con la luz confinada en los nanocables, o bien la aceleran o la retrasan. Utilizando el microscopio ultrarrápido para tomar la imagen de la posición en la que se produjo 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 de la onda de la luz, demostró simultáneamente su aspecto de partícula también. A medida que los electrones pasan cerca de la onda estacionaria de la luz, "golpean" las partículas de la luz, los fotones. Como se mencionó anteriormente, esto afecta a su velocidad, por lo que se mueven más rápido o más lento. Este cambio en la velocidad aparece como un intercambio de energía entre electrones y fotones. La ocurrencia de estos paquetes de energía muestra que la luz en el nanocable se comporta como una partícula.

"Este experimento demuestra que, por primera vez en la historia, 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 de las tecnologías del futuro. Como explica Carbone, "el poder de la imagen y el control de los fenómenos cuánticos en la escala nanométrica abren una nueva ruta hacia la computación cuántica."