¿Qué es la luz? Suena como una pregunta simple pero es uno que ha ocupado a algunas de las mejores mentes científicas durante siglos.

Ahora, un estudio colaborativo con científicos de la Universidad de Graduados del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa (OIST) ha agregado otro giro a la historia, convirtiendo una teoría abstracta sobre las propiedades cuánticas de los imanes en una hipótesis comprobable sobre un nuevo tipo de luz.

Desde que Isaac Newton refractó la luz a través de prismas en 1672, Los científicos se han dividido sobre si la luz está formada por partículas u ondas. La luz parece viajar en línea recta, como se esperaría de una partícula, pero los experimentos de Newton han demostrado que también tiene frecuencia y longitud de onda, como ondas de sonido.

Casi 200 años después, el físico escocés James Clerk Maxwell proporcionó una parte de la respuesta, cuando se dio cuenta de que la luz estaba formada por campos eléctricos y magnéticos fluctuantes. Fue solo en el siglo XX a través del trabajo de Einstein, que finalmente se entendió que la luz estaba formada por partículas fundamentales llamadas fotones, que actúan como partículas y ondas.

Este descubrimiento ayudó a inspirar la nueva ciencia de la mecánica cuántica, que describe el comportamiento de la materia y la energía a nivel atómico y subatómico.

Más recientemente, a finales del siglo XX, Los físicos comenzaron a explorar un fenómeno llamado emergencia. Así como el comportamiento de grandes grupos de personas puede diferir del de cualquier miembro del grupo, emergencia describe cómo las partículas en grupos grandes pueden comportarse de maneras inesperadas, revelando nuevas leyes de la física o proporcionando un nuevo contexto para las antiguas. Una pregunta que se hizo fue:"¿Podría existir una luz emergente?"

Esto nos lleva al profesor de la OIST, Nic Shannon, Han Yan, un doctorado estudiante en su Unidad de Teoría de la Materia Cuántica, y sus colegas en Suiza y Estados Unidos. Su trabajo reciente se centra en una extraña familia de sistemas magnéticos conocidos como hielo giratorio. que escapan a todas las formas convencionales de orden magnético y, en cambio, abren una ventana al mundo cuántico.

En imanes convencionales como los de tu nevera, Los átomos magnéticos producen un campo magnético diminuto y trabajan juntos para generar campos magnéticos mucho más grandes que les permiten "adherirse" a los objetos metálicos. Esto es posible porque los diminutos campos magnéticos asociados con cada átomo diferente en el imán se ordenan a sí mismos de modo que apunten en la misma dirección.

En hielo giratorio sin embargo, los átomos no se ordenan magnéticamente, pero aún trabajan juntos para producir un campo magnético que fluctúa en la escala atómica.

Recientemente, Los investigadores se dieron cuenta de que los efectos cuánticos a bajas temperaturas pueden introducir un campo eléctrico emergente en el hielo de espín, con una consecuencia sorprendente:los campos eléctricos y magnéticos emergentes se combinan para producir excitaciones magnéticas que se comportan exactamente como fotones de luz.

"Se comporta como la luz, pero no puedes verlo con tus ojos, "dijo el profesor Shannon" Imagina que el cristal de hielo espín es un universo diminuto con sus propias leyes de la naturaleza, y estás en el exterior mirando hacia dentro. ¿Cómo podrías averiguar lo que está pasando dentro?

En 2012, el Prof. Shannon y su entonces Ph.D. El estudiante Owen Benton propuso una forma de detectar la luz dentro de un hielo de espín cuántico haciendo rebotar neutrones en los átomos magnéticos dentro del cristal. Ellos predijeron una firma característica en cómo el cristal absorbe la energía de los neutrones, que señala la presencia de la electrodinámica emergente de un hielo de espín cuántico.

Ahora, en un artículo publicado en Física de la naturaleza , los autores informan que han observado esta firma en un material llamado hafnato de praseodimio (Pr2Hf2O7).

Encontrar las firmas de la luz emergente en un material real resultó muy difícil, ya que requería trabajar a temperaturas tan bajas como 50 milikelvin, menos de una décima de grado por encima del cero absoluto, con cristales libres de suciedad e imperfecciones.

Un equipo de investigación dirigido por el Dr. Romain Sibille del Paul Scherrer Institut (PSI) en Suiza, en colaboración con colegas de la Universidad de Warwick en el Reino Unido, lograron generar un cristal perfecto de un material de hielo de espín cuántico con el que finalmente pudieron probar la hipótesis.

"Es muy hermoso, como una piedra preciosa, "dijo el profesor Shannon, "y es asombroso pensar que es un gran cristal sin imperfecciones".

Sibille llevó este cristal al Instituto Europeo Laue-Langevin (ILL) en Grenoble, Francia, así como el Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL) en Tennessee, ESTADOS UNIDOS, utilizar los espectrómetros de neutrones especialmente desarrollados de estas instalaciones.

En un experimento extremadamente desafiante, El equipo de Sibille usó una serie de 960 superespejos recubiertos con hierro, cobalto, y aleaciones de vanadio que podrían reflejar selectivamente diferentes tipos de neutrones, algo que su institución de origen PSI ha desarrollado, y utilizó el instrumento HYSPEC (ORNL) para obtener un análisis 3D de sus patrones de reflexión.

En combinación con un mapeo completo de los neutrones dispersos utilizando el instrumento IN5 (ILL), esto les permitió medir la polarización de las partículas dispersas y mapear las firmas de energía que esas partículas producían ".

La teoría del Dr. Benton y el profesor Shannon guardaba una asombrosa similitud con los mapas de energía experimentales. La representación gráfica de la reflexión de neutrones mostraba los llamados puntos de pellizco, que son rasgos característicos de un hielo de espín cuántico. Cuando se escaneó el hielo giratorio a bajas temperaturas, los puntos de pellizco desaparecieron de una manera que sugería fuertemente la luz emergente.

Yan trabajó en la teoría y analizó los datos experimentales para determinar la velocidad de la luz emergente:unos modestos 3,6 m por segundo, casi tan rápido como alguien que corre un maratón en cuatro horas. Los fotones de luz normal, del tipo bajo el que podría tomar el sol, podrían cubrir la misma distancia en menos de una milésima de segundo.

"Para mí es muy bueno que este material se comporte como un mini-universo con su propia luz y partículas cargadas", dijo Han.

"En el presente, no conocemos ninguna forma de explicar estos resultados sin invocar la mecánica cuántica, "dijo el profesor Shannon, "así que realmente parece que hemos visto una luz emergente".