Un equipo de científicos de la Universidad de Birmingham ha logrado desentrañar la forma de un fotón individual, mediante un nuevo modelo que describe sus interacciones con la materia circundante, con un detalle sin precedentes para mostrar cómo son emitidos por átomos o moléculas.

Los fotones son las partículas fundamentales que componen la luz y otros tipos de radiación electromagnética, como las ondas de radio o las microondas que utilizamos para calentar agua o comida. Se trata de pequeños "paquetes" de energía que no tienen masa ni carga eléctrica, pero sí poseen propiedades como la velocidad: viajan siempre a la máxima velocidad del universo, conocida como la velocidad de la luz en el vacío, aproximadamente 300.000 km/s. También tienen una frecuencia y longitud de onda específicas, que determinan su color o tipo de radiación.

La naturaleza de la interacción de estos paquetes de luz con su entorno tiene infinitas posibilidades, lo que hace que estas interacciones sean excepcionalmente difíciles de modelizar, y es un reto que los físicos cuánticos llevan varias décadas tratando de resolver. El equipo de físicos de Birmingham pudieron agrupar estas posibilidades en varios conjuntos, creando un modelo que describe no sólo las interacciones sino también cómo viaja la energía en ese proceso.

"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", comentó el Dr. Benjamin Yuen, autor principal del trabajo. "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", agregó la profesora Angela Demetriadou, coautora del estudio.

Los fotones son "paquetes" de energía electromagnética (Wikipedia).

Este descubrimiento, además de ser un importante avance teórico, tendrá aplicaciones prácticas, incluyendo el diseño de tecnologías nanofotónicas, sensores más sensibles, tecnologías de comunicación mas seguras, células solares más eficientes y avances en computación cuántica.

"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 irradia la luz a su entorno cercano y lejano. Hasta ahora, gran parte de esta información se consideraba «ruido», pero ahora podemos entenderla y utilizarla. Al entender esto, sentamos las bases para poder diseñar interacciones luz-materia para aplicaciones futuras", concluyó Yuen.