La luz se comporta igual tanto en el tiempo como en el espacio

Una investigación ha llevado a cabo por primera vez el famoso experimento de la doble rendija en el tiempo, en lugar de en el espacio, y obtenido un insólito espectáculo policromático. El descubrimiento potenciará el desarrollo de metamateriales, ayudará a estudiar los agujeros negros y hasta tal vez aclare el misterio de los cristales de tiempo.

El experimento de la doble rendija, concebido en 1801 por el físico Thomas Young para averiguar la naturaleza corpuscular de la luz, ha sido básico para demostrar la dualidad onda-partícula.

La dualidad onda-partícula es un concepto de la mecánica cuántica según el cual no hay diferencias fundamentales entre partículas elementales y ondas, ya que las partículas pueden comportarse como ondas y las ondas como partículas.

En el experimento de la doble rendija, una partícula se encuentra con una pared que no puede atravesar, pero aprovecha que tiene dos rendijas y entonces se cuela a través de ellas cambiando su naturaleza corpuscular por otra de onda. Luego recupera su naturaleza original y se comporta como partícula que incluso deja una huella (patrón de interferencia).

Amplio impacto tecnológico

El experimento de la doble rendija pone de manifiesto dos cosas: que, a nivel elemental, los objetos físicos pueden comportarse como un conjunto de partículas (y no pueden por ejemplo atravesar una barrera física), o también como una onda que atraviesa obstáculos, como las ondas de radio que pasan a través de las paredes.

Desde que lo planteara Young, el experimento de la doble rendija se ha llevado a cabo de diversas formas en diferentes condiciones.

Se ha comprobado en el pasado que los electrones, los átomos y las moléculas de hasta 100 átomos exhiben el mismo tipo de comportamiento que manifiestan los fotones en el experimento de la doble rendija.

En un experimento desarrollado en 2021, investigadores de la Universidad de Stanford desarrollaron incluso una forma de realizar el famoso experimento cuántico de la doble rendija utilizando nada más que moléculas, átomos individuales y láseres.

En el tiempo, no en el espacio

Una nueva investigación ha llevado ahora el experimento de la doble rendija a un nivel todavía más complejo.

Ha demostrado que es posible lograr el efecto equivalente usando rendijas dobles situadas en el tiempo, en vez de rendijas físicas que ocupan un lugar en el espacio. Es decir, han llevado a cabo por primera vez el experimento de la doble rendija en el tiempo, en lugar de en el espacio.

En lugar de dos rendijas adyacentes, como se había hecho hasta ahora, en el nuevo experimento un haz de luz atraviesa un material que se abre y se cierra brevemente a intervalos de unos pocos cientos de femtosegundos.

Este comportamiento crea dos "ranuras" que están separadas entre sí por diferentes momentos en el tiempo, y no por un espacio inmutable, informan Romain Tirole, del Imperial College London, y su equipo, en un artículo publicado en la revista Nature Physics.

Explosión de colores

El resultado obtenido también es particular: a diferencia de la clásica doble rendija, la variante temporal no cambia la distribución espacial de la radiación, sino su frecuencia. De este modo, la luz se distribuye en diferentes longitudes de onda.

Eso significa que la doble rendija temporal cambia el color del haz de luz: crea ondas de luz de diferentes colores que interactúan entre sí. Esta interferencia amplifica algunas longitudes de onda mientras atenúa o cancela otras.

En lugar de un patrón rayado de zonas claras y oscuras, se crea en el detector situado detrás de las rendijas una paleta de colores de oscilaciones de frecuencia. Es una especie de cuadro policromático que, seguramente, habría causado asombro al propio Young.

Las mediciones obtenidas en este experimento muestran que la distancia temporal que separa a las “rendijas” influye en el “ancho” de las oscilaciones de frecuencia de interferencia. La forma de cada intervalo de tiempo determina asimismo cuántas bandas de interferencia son visibles.

Metamateriales y agujeros negros

"Nuestro experimento revela más sobre la naturaleza fundamental de la luz", explica el autor principal Riccardo Sapienza, en un comunicado. “Al mismo tiempo, puede servir como trampolín para el desarrollo de materiales que controlen la luz en el espacio y el tiempo”, concluye.

Hay que tener en cuenta al respecto que el material utilizado en este experimento fue una película delgada de óxido de indio y estaño, que forma la mayoría de las pantallas de los teléfonos móviles.

El material cambió su reflectancia mediante láseres en escalas de tiempo ultrarrápidas, creando las 'rendijas' especiales para la luz. El material respondió mucho más rápido de lo que el equipo esperaba, variando su reflectividad en unos pocos femtosegundos.

El material es un metamaterial, es decir, que ha sido diseñado para tener propiedades que no se encuentran en la naturaleza.

Este control fino de la luz es una de las promesas de los metamateriales y, cuando se combina con el control espacial, podría crear nuevas tecnologías e incluso análogos para estudiar fenómenos físicos fundamentales como los agujeros negros, consideran los investigadores.

Cristales de tiempo

Por este motivo, los investigadores quieren profundizar en su trabajo y explorar la doble rendija temporal en un "cristal de tiempo", que es análogo a un cristal atómico, pero en el que las propiedades ópticas varían con el tiempo.

No solo tiene el potencial de conducir a interruptores ópticos paralelizados ultrarrápidos, sino que también se han llegado crear cristales de tiempo cuánticos, potencialmente útiles para los ordenadores cuánticos.

Los investigadores quieren saber el significado que tendría la rendija temporal que han descubierto en mundo de los cristales de tiempo, hechos con átomos que están en movimiento sin fin.

Referencia

Double-slit time diffraction at optical frequencies. Romain Tirole et al. Nature Physics (2023). DOI:https://doi.org/10.1038/s41567-023-01993-w