Aconsegueixen la primera imatge d'una partícula de llum

Un equip d'investigadors polonesos ha aconseguit crear, per primera vegada en la història, l'holograma d'una partícula individual de llum.

Un raig de sol entra per la finestra i il·lumina l'habitació. A primera vista no sembla una cosa extraordinària, però la mecànica quàntica ens diu que aquest raig lluminós està format per trilions i trilions de petits «paquets de llum» individuals, els fotons, movent-se a 300.000 quilòmetres per segon. No obstant això, ningú ha aconseguit veure un fotó individual, ni saber quina forma té, si és que en té alguna. És més, podria ser que ni tan sols tingui sentit formular aquestes preguntes.
Ara, un equip d'investigadors polonesos ha aconseguit crear, per primera vegada en la història de la Ciència, l'holograma d'una partícula individual de llum. La fita, aconseguida gràcies a l'observació de les interferències que es produeixen quan dos raigs de llum es creuen, constitueix un important avanç cap a la comprensió de la naturalesa íntima de la llum. Els resultats d'aquest treball, a més, podrien ser importants per al desenvolupament de tecnologies que necessitin comprendre quina forma té un fotó, com succeeix amb les telecomunicacions i els ordinadors quàntics.

"Portem a terme un experiment relativament simple per mesurar i poder veure alguna cosa que és increïblement difícil d'observar", explica Radoslaw Chrapkiewicz, físic de la Universitat de Varsòvia i investigador principal de l'estudi que s'acaba de publicar a Nature Photonics.
Des de fa centenars d'anys, els físics han treballat molt dur per intentar comprendre de què està feta la llum. I al segle XIX el debat va semblar quedar tancat gràcies a James Clerk Maxwell, que va descriure la llum com una ona electromagnètica. Però les coses, en realitat, són bastant més complicades i, a principis del segle XX el físic alemany Max Planck, que aleshores era company del seu compatriota Albert Einstein, va demostrar que la llum estava feta de petits paquets invisibles als quals va anomenar fotons.

Anys més tard, en la dècada de 1920, el físic austríac Erwin Schroedinger va refinar aquestes idees en la seva famosa equació de funció d'ona quàntica, capaç de predir amb extraordinària precisió els resultats d'experiments amb fotons. Un èxit però, que no ha evitat que els físics segueixin preguntant-se sobre el veritable significat i naturalesa d'aquesta funció d'ona. Ara, i per primera vegada, els investigadors de la Universitat de Varsòvia han aconseguit representar i mesurar les formes descrites per l'equació de Schroedinger en un experiment real.
Els fotons, al desplaçar-se com ones, poden estar en la mateixa fase. Però si interactuen, produeixen un senyal brillant. Si, per contra, les seves fases s'oposen, llavors s'anul·laran els uns als altres. És una cosa semblant al que succeeix amb les ones sonores emeses per dos altaveus i que produeixen pics de so aguts i greus en una habitació.
La imatge obtinguda pels científics, anomenada holograma perquè porta informació tant de la forma com de la fase d'ona del fotó, va ser creada disparant al mateix temps dos rajos de llum cap a un divisor de feix (un instrument òptic que divideix un raig lluminós en dos). El divisor de feix es comporta com si fos un encreuament de carreteres, una intersecció que cada fotó pot envoltar o creuar directament, la qual cosa depèn de la forma de les seves funcions d'ona.
Per a cada fotó individual, qualsevol de les dues possibles trajectòries és igualment probable. Però quant dos fotons diferents s'aproximen a la vegada a la intersecció, tots dos interactuen i el resultat varia completament. D'aquesta manera, l'equip es va adonar que si conegués la funció d'ona d'un dels dos fotons, seria fàcil esbrinar la forma de la segona a partir de les posicions dels centelleigs que es van produint en el detector. Seria com disparar dues bales una contra l'altra i utilitzar després les seves trajectòries desviades per la col·lisió per esbrinar la forma de cada projectil.

Cada nova ronda de l'experiment produïa dues llampades en el detector, un per a cada fotó. I després de més de 2.000 repeticions, va començar a aparèixer un patró en aquests centelleigs, gràcies al qual els investigadors van poder reconstruir la funció d'ona del segon fotó.
La forma de la imatge resultant s'assembla a una creu de Malta, i és exactament la que prediu l'equació de funció d'ona de Schroedinger. En els braços de la creu, on els fotons estan en fase, la imatge és més brillant, mentre que les zones en què les fases s'oposen apareixen més fosques.
Per Michal Jachura, coautor de l'estudi, l'experiment "ens porta a estar un pas més a prop de comprendre què és realment una funció d'ona", i podria constituir una nova eina per estudiar les interaccions entre fotons, de summa utilitat a l'hora de desenvolupar tecnologies com les telecomunicacions o la computació quàntiques.
Ara, els investigadors tractaran de fer un pas més i recrear funcions d'ona d'objectes quàntics més complexos, com ara, àtoms complets. "Pot ser que les aplicacions reals de la holografia quàntica triguin dècades a aparèixer", conclou Konrad Banaszek, un altre dels membres de l'equip. "Però si hi ha alguna cosa del que podem estar segurs és que seran sorprenents".

Font: ABC