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Un equipo internacional de investigadores finalmente ha podido calcular el impulso de la luz.

Créditos de la imagen Félix Mittermeier.

La luz ejerce una mínima presión sobre los objetos con los que interactúa. Encontrar el valor exacto de esta presión es una búsqueda que los científicos han perseguido durante casi 150 años. Hoy, un equipo de investigadores finalmente lo ha descifrado.

un toque ligero

Los fotones, aunque carecen de masa, tienen impulso, por lo que cuando golpean un objeto, le aplican una fuerza.

Esta idea apareció por primera vez en la ciencia en 1619, en un tratado del matemático y astrónomo alemán Johannes Kepler. Creía que la presión ejercida por la luz era la razón por la cual la cola de un cometa siempre apuntaba en dirección contraria al Sol. En 1873, el físico escocés James Clerk Maxwell propuso que la luz es una forma de radiación electromagnética y, por lo tanto, transmite impulso, lo que le permite ejercer presión sobre la materia. Así, la presión ejercida por la luz estaba ligada a su impulso.

La hipótesis de Maxwell resultó ser cierta. Sin embargo, debido a que el impulso de la luz es extremadamente pequeño, la presión que ejerce también es extremadamente baja, por lo que medirla directamente es casi imposible.

Hasta ahora, no habíamos determinado cómo este impulso se convierte en fuerza o movimiento, explica el coautor e ingeniero Kenneth Chau de la Universidad de Columbia Británica, campus de Okanagan, Canadá.

Debido a que la cantidad de impulso transportado por la luz es muy pequeña, no hemos tenido equipos lo suficientemente sensibles para resolver esto.

Todavía no tenemos ningún equipo lo suficientemente sensible para medir este impulso, lo que hace que los hallazgos actuales sean aún más impresionantes. Sin embargo, el equipo de Chaus, que incluye miembros de Eslovenia y Brasil, encontró una manera de solucionar esta limitación.

El dispositivo que construyeron se basa en un espejo. El equipo le colocó sensores acústicos de alta sensibilidad y luego encerró el artilugio en varias capas de material de protección contra el calor para protegerlo de las interferencias externas. El último paso fue disparar pulsos de láser al espejo.

Cuando los fotones en el láser golpean el espejo, aplican presión que genera movimiento (ondas elásticas) a través de su superficie. Los sensores acústicos midieron estas ondas, que luego el equipo usó para calcular la presión generada por los fotones individuales.

Desplazamientos superficiales provocados por el láser. El desplazamiento se mide en femtómetros (cuadrillonésimas de metro).
Créditos de imagen Toma Poar et al., 2018, Nature Communications.

Pudimos rastrear las características de esas ondas hasta el momento que reside en el propio pulso de luz, lo que abre la puerta para finalmente definir y modelar cómo existe el momento de la luz dentro de los materiales.

La investigación proporciona el marco a partir del cual los investigadores pueden refinar el valor. Un valor preciso de la presión de la radiación podría tener una amplia gama de aplicaciones, desde mejores pinzas ópticas, instrumentos científicos que usan rayos láser altamente enfocados para manipular partículas hasta la escala de un solo átomo, hasta velas solares más eficientes que nos permitirán viajar por el universo sin la necesidad de combustible.

Todavía no estábamos allí, dijo Chau, pero el descubrimiento en este trabajo es un paso importante y estoy emocionado de ver a dónde nos lleva a continuación.

El artículo Detección aislada de ondas elásticas impulsadas por el impulso de la luz se ha publicado en la revista Nature Communications .

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