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Física

Cuando la luz atrae a la luz

Brasileños demuestran que dos fotones pueden unirse y presentar un comportamiento similar al de los pares de electrones en los superconductores

Cassiano Rabelo Un haz de luz láser rojo atraviesa un recipiente con agua y produce pares de fotones ligados entre síCassiano Rabelo

Un grupo de físicos brasileños descubrió que algunos fotones, las partículas que componen la luz, pueden presentar a temperatura ambiente una propiedad típica de los electrones en los materiales superconductores. Al atravesar líquidos transparentes, algunos pocos fotones intercambian vibraciones con las moléculas del medio y se unen en parejas. En ese proceso se registra un intercambio de energía entre los fotones. La energía perdida por una de las partículas de luz pasa al medio, que inmediatamente la traspasa a otra partícula. De este modo, la energía liberada por un fotón es exactamente igual a la que recibe el otro, lo cual genera una conexión entre ambas partículas. En los superconductores, cuando dos electrones interactúan de esa manera y se unen, queda conformado un par de Cooper, un efecto cuántico conocido desde el final de la década de 1950. En las partículas de luz nunca se había descrito un fenómeno análogo hasta que investigadores de la Universidad Federal de Minas Gerais (UFMG) y de la Universidad Federal de Río de Janeiro (UFRJ) publicaron el estudio el 9 de noviembre en el periódico científico Physical Review Letters.

La presencia de pares de Cooper, es decir, parejas de electrones unidos, anula la resistencia al paso de la corriente eléctrica en materiales que, cuando se los enfría hasta temperaturas cercanas al cero absoluto (-273 ºC), se tornan superconductores. “Pero en el caso de nuestro experimento no podemos hablar de una superconductividad de la luz”, analiza el físico Ado Jorio, de la UFMG, coordinador de los experimentos que registraron la aparición de pares de fotones en ocho líquidos transparentes distintos, incluso en el agua. “Podemos decir que las partículas de luz pueden presentar el mismo fenómeno de esos pares de electrones”.

En los experimentos, Jorio y sus colegas emitieron un haz de luz láser rojo, compuesta por pulsos ultrarrápidos e intensos, hacia un recipiente transparente conteniendo un líquido incoloro. Dos detectores midieron el tiempo de salida y la energía de cada fotón que atravesó el sistema. Si las dos partículas de luz se registran exactamente al mismo tiempo, con una ganando y otra perdiendo energía, tal como de hecho ocurrió, esa medición indica que los dos fotones están emparejados. El experimento también se repitió con éxito utilizando materiales transparentes sólidos, que no absorben luz, tales como el diamante y el cuarzo, en reemplazo del medio líquido.

A pesar de ser análogo a la formación de los pares de Cooper en los superconductores, el fenómeno detectado en las partículas lumínicas fue mucho menos intenso. Cada segundo,  la fuente de luz láser emitía alrededor de 10 mil billones de fotones y estos llegaban al medio líquido transparente. De ese total, tan sólo 10 pares de partículas de luz se mostraron emparejadas. “La formación de los pares de fotones que se obtuvieron hasta ahora constituye un fenómeno extremadamente raro”, comenta la física Belita Koiller, de la UFRJ, coautora del estudio que coordinó la parte teórica empleada para encauzar los trabajos con láser en un medio líquido transparente.

Vibraciones que atraen
Alrededor de un año antes del inicio de los experimentos, el grupo de Koiller obtuvo indicios, valiéndose de un modelo matemático, de que las partículas de luz podrían presentar, en determinadas condiciones, un comportamiento similar al de los electrones en pares. “Pero quisimos obtener también evidencias experimentales del fenómeno antes de realizar cualquier publicación”, explica la física. El mecanismo que conduce a las partículas de luz a interactuar y juntarse en pares al atravesar un medio transparente es análogo al proceso de formación de los pares de Cooper en los superconductores.

Dos electrones con sus respectivas cargas negativas, libres en el espacio, no se atraen. Al fin y al cabo, dos partículas con cargas iguales se repelen. No obstante, si dos electrones se hallaran en el interior de un superconductor, ellos podrían atraerse. Este fenómeno cuántico puede explicarse de una manera sencilla. Al desplazarse por el material, un electrón pasa cerca de los núcleos de los átomos que constituyen ese medio y los induce a vibrar y aproximarse. Si otro electrón cruza la región donde los núcleos atómicos están oscilando, el mismo tiende a aproximarse a la vibración y a ser atraído en dirección al primer electrón. De manera tal que esa atracción provoca que los electrones queden ligados, formando pares de Cooper. Como la luz no es superconductora, no se esperaba que, al pasar por el agua, un haz de luz láser causara la formación de pares de fotones, aunque con una intensidad mucho menor que la del caso de los electrones en los superconductores. Empero, según el artículo de Jorio, Koiller y sus colegas, la interacción de dos fotones con las vibraciones de las moléculas de H2O también puede generar pares de partículas de luz.

En los superconductores, la ausencia de resistencia al paso de la corriente eléctrica ha sido estudiada durante el desarrollo de varias tecnologías, como en el caso de los imanes de espectrómetros de masa y dispositivos de resonancia magnética. Todavía es pronto para saber si la existencia de pares de fotones en medios transparentes podría generar alguna aplicación. “Este es un descubrimiento sorprendente. Las consecuencias de esa atracción entre los fotones no son para nada evidentes. Los autores mencionan que los pares de fotones quedarían enmarañados. Eso significa que las propiedades de uno pasarán a depender del otro”, comenta el físico Luiz Nunes de Oliveira, del Instituto de Física de São Carlos en la Universidad de São Paulo (IFSC-USP), que no intervino en el estudio. “Eso es interesante y dará origen a muchos estudios. Por el momento, parece improbable que haya alguna consecuencia práctica a partir de este hallazgo. Pero el trabajo cumple con el objetivo más amplio de la ciencia, que es ayudarnos a entender mejor a la naturaleza”.

Artículo científico
SILVEIRA, A. et al. Photonic counterparts of cooper pairs. Physical Review Letters. 9 nov. 2017.

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