En física, como en la vida, siempre es bueno mirar las cosas desde diferentes perspectivas.

Desde el comienzo de la física cuántica, la forma en que la luz se mueve e interactúa con la materia que la rodea se ha descrito y comprendido principalmente matemáticamente a través de la lente de su energía. En 1900, Max Planck usó la energía para explicar cómo los objetos calientes emiten luz, un estudio fundamental en la base de la mecánica cuántica. En 1905, Albert Einstein utilizó la energía cuando introdujo el concepto de fotón.

Pero la luz tiene otra cualidad igualmente importante, conocida como impulso. Y resulta que, cuando quitas el impulso, la luz comienza a comportarse de maneras realmente interesantes.

Un equipo internacional de físicos dirigido por Michaël Lobet, investigador asociado de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard (SEAS) y Eric Mazur, profesor Balkanski de Física y Física Aplicada en SEAS, está reexaminando los cimientos de la física cuántica desde la perspectiva de la cantidad de movimiento y explorando lo que sucede cuando la cantidad de movimiento de la luz se reduce a cero.

La investigación se publica en Nature Light:Science &Applications .

Cualquier objeto con masa y velocidad tiene impulso, desde átomos hasta balas y asteroides, y el impulso puede transferirse de un objeto a otro. Un arma retrocede cuando se dispara una bala porque el impulso de la bala se transfiere al arma. A escala microscópica, un átomo retrocede cuando emite luz debido al momento adquirido del fotón. El retroceso atómico, descrito por primera vez por Einstein cuando estaba escribiendo la teoría cuántica de la radiación, es un fenómeno fundamental que gobierna la emisión de luz.

Pero un siglo después de Planck y Einstein, una nueva clase de metamateriales plantea interrogantes sobre estos fenómenos fundamentales. Estos metamateriales tienen un índice de refracción cercano a cero, lo que significa que cuando la luz viaja a través de ellos, no viaja como una onda en fases de crestas y valles. En cambio, la onda se estira hasta el infinito, creando una fase constante. Cuando eso sucede, muchos de los procesos típicos de la mecánica cuántica desaparecen, incluido el retroceso atómico.

¿Por qué? Todo vuelve al impulso. En estos llamados materiales de índice cercano a cero, el momento de la onda de la luz se vuelve cero y cuando el momento de la onda es cero, suceden cosas extrañas.

"Los procesos radiativos fundamentales se inhiben en materiales tridimensionales de índice cercano a cero", dice Lobet, quien actualmente es profesor en la Universidad de Namur en Bélgica. "Nos dimos cuenta de que el retroceso de impulso de un átomo está prohibido en materiales de índice cercano a cero y que no se permite la transferencia de impulso entre el campo electromagnético y el átomo".

Si romper una de las reglas de Einstein no fuera suficiente, los investigadores también rompieron quizás el experimento más conocido en física cuántica:el experimento de doble rendija de Young. Este experimento se utiliza en aulas de todo el mundo para demostrar la dualidad onda-partícula en la física cuántica, lo que demuestra que la luz puede mostrar características tanto de ondas como de partículas.

En un material típico, la luz que pasa a través de dos rendijas produce dos fuentes coherentes de ondas que interfieren para formar un punto brillante en el centro de la pantalla con un patrón de franjas claras y oscuras a cada lado, conocidas como franjas de difracción.

"Cuando modelamos y calculamos numéricamente el experimento de doble rendija de Young, resultó que las franjas de difracción desaparecieron cuando se redujo el índice de refracción", dijo la coautora Larissa Vertchenko, de la Universidad Técnica de Dinamarca.

"Como puede verse, este trabajo cuestiona las leyes fundamentales de la mecánica cuántica y prueba los límites de la dualidad onda-corpúsculo", dijo el coautor Iñigo Liberal, de la Universidad Pública de Navarra en Pamplona, ​​España.

Mientras que algunos procesos fundamentales se inhiben en materiales de índice de refracción cercano a cero, otros se mejoran. Tomemos otro famoso fenómeno cuántico:el principio de incertidumbre de Heisenberg, más exactamente conocido en física como la desigualdad de Heisenberg. Este principio establece que no se puede saber tanto la posición como la velocidad de una partícula con perfecta precisión y cuanto más se sabe de una, menos se sabe de la otra. Pero, en materiales de índice cercano a cero, usted sabe con 100% de certeza que el impulso de una partícula es cero, lo que significa que no tiene idea de en qué parte del material se encuentra la partícula en un momento dado.

"Este material sería un microscopio realmente pobre, pero permite encubrir objetos perfectamente", dijo Lobet. "De alguna manera, los objetos se vuelven invisibles".

"Estos nuevos resultados teóricos arrojan nueva luz sobre la fotónica de índice de refracción cercano a cero desde una perspectiva de impulso", dijo Mazur. "Proporciona información sobre la comprensión de las interacciones luz-materia en sistemas con un índice de refracción bajo, que puede ser útil para aplicaciones de láser y óptica cuántica".

La investigación también podría arrojar luz sobre otras aplicaciones, incluida la computación cuántica, las fuentes de luz que emiten un solo fotón a la vez, la propagación sin pérdidas de la luz a través de una guía de ondas y más.

A continuación, el equipo tiene como objetivo revisar otros experimentos cuánticos fundamentales en estos materiales desde una perspectiva de impulso. Después de todo, aunque Einstein no predijo materiales con un índice de refracción cercano a cero, sí enfatizó la importancia del impulso. En su artículo seminal de 1916 sobre los procesos radiativos fundamentales, Einstein insistió en que, desde un punto de vista teórico, la energía y el impulso "deben considerarse en pie de igualdad, ya que la energía y el impulso están vinculados de la manera más estrecha posible".

“Como físicos, es un sueño seguir los pasos de gigantes como Einstein y llevar sus ideas más allá”, dijo Lobet. "Esperamos poder proporcionar una nueva herramienta que los físicos puedan usar y una nueva perspectiva, que podría ayudarnos a comprender estos procesos fundamentales y desarrollar nuevas aplicaciones". + Explora más

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