Agencias/Ciudad de México.- Los fotones (partículas individuales de luz) han sido explorados con un nivel de detalle sin precedentes para mostrar cómo son emitidos por átomos o moléculas y cómo son moldeados por su entorno.
La naturaleza de esta interacción da lugar a infinitas posibilidades de que la luz exista y se propague, o viaje, a través de su entorno circundante. Sin embargo, esta posibilidad ilimitada hace que las interacciones sean excepcionalmente difíciles de modelar y es un desafío que los físicos cuánticos han estado trabajando para abordar durante varias décadas.
Al agrupar estas posibilidades en conjuntos distintos, un equipo de la Universidad de Birmingham pudo producir un modelo que describe no solo las interacciones entre el fotón y el emisor, sino también cómo la energía de esa interacción viaja hacia el “campo lejano” distante. Al mismo tiempo, pudieron utilizar sus cálculos para producir una visualización del fotón en sí.
El trabajo es importante porque abre nuevas vías de investigación para los físicos cuánticos y la ciencia de los materiales, según explican los autores en un artículo publicado en Physical Review Letters. Al poder definir con precisión cómo interactúa un fotón con la materia y con otros elementos de su entorno, los científicos pueden diseñar nuevas tecnologías nanofotónicas que podrían cambiar la forma en que nos comunicamos de forma segura, detectamos patógenos o controlamos reacciones químicas a nivel molecular, por ejemplo.
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La coautora, la profesora Angela Demetriadou, también de la Universidad de Birmingham, dijo: “La geometría y las propiedades ópticas del entorno tienen profundas consecuencias en la forma en que se emiten los fotones, incluida la definición de la forma, el color e incluso la probabilidad de que existan”.
El primer autor, el Dr. Benjamin Yuen, de la Facultad de Física y Astronomía de la Universidad, explicó en un comunicado: “Nuestros cálculos nos permitieron convertir un problema aparentemente insoluble en algo que se puede calcular. Y, casi como un subproducto del modelo, pudimos producir esta imagen de un fotón, algo que no se había visto antes en física”.
Al transformar el continuo en un conjunto discreto de pseudomodos, resolvemos la dinámica sin la necesidad de un reservorio, sus aproximaciones acompañantes y, por lo tanto, retenemos toda la información sobre el continuo. Nuestra teoría demuestra que la desintegración de QE surge de la naturaleza continua del campo cuantizado: el sistema nunca decae al estado fundamental; su energía simplemente se dispersa sobre el espectro continuo de modos propios, para los cuales no hay desintegración inherente. La “desintegración” de las amplitudes de pseudomodo describe la cola del paquete de ondas de fotones a medida que se propaga, cuando se toma correctamente en el tiempo retardado. Esto surge naturalmente en nuestro sistema cuántico infinito pero cerrado, que evita las condiciones de borde de onda saliente en los modos normales que requieren una cuantización no estándar de modos divergentes para sistemas no hermíticos.
El Dr. Benjamin Yuen añadió: “Este trabajo nos ayuda a aumentar nuestra comprensión del intercambio de energía entre la luz y la materia y, en segundo lugar, a entender mejor cómo se irradia la luz hacia su entorno cercano y lejano. Anteriormente, se pensaba que gran parte de esta información era simplemente “ruido”, pero hay tanta información dentro de ella que ahora podemos interpretarla y utilizarla. Al comprender esto, sentamos las bases para poder diseñar interacciones entre la luz y la materia para futuras aplicaciones, como mejores sensores, células de energía fotovoltaica mejoradas o computación cuántica”.
En conclusión, presentan una teoría general que da una descripción completa y exacta de la electrodinámica cuántica de un QE que interactúa fuertemente con un dispositivo fotónico radiante. Cuantificamos los modos propios continuos de Helmholtz, que luego transformamos con correspondencia uno a uno en un conjunto discreto de pseudomodos no hermíticos. De este modo, resuelven problemas comunes que se encuentran al cuantificar sistemas no hermíticos, como la divergencia de modos, la definición de volúmenes de modos y la identificación de variables de campo canónicas. Además, nuestro enfoque captura con precisión todas las correlaciones cuánticas del campo y QE, evitando aproximaciones markovianas comunes y, a diferencia de otros métodos, captura con precisión la propagación de la luz al campo lejano. Este nuevo método puede extenderse aún más para geometrías fotónicas arbitrarias a través de la continuación analítica de la densidad local de estados y puede revelar el comportamiento no markoviano exhibido en sistemas realizables experimentalmente a escala nanométrica.
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