Fotones observados a velocidades aparentemente mayores que la de la luz

Fotones más rápidos que la luz
Un fotón viaja a través de capas alternas de un material de índice refractivo bajo (azul) y alto (verde) más rápido o más lento dependiendo del orden de las capas. Una capa adicional estratégicamente añadida puede reducir drásticamente el tiempo de transición.

Investigadores del Instituto Cuántico Conjunto (JQI), una colaboración del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología y la Universidad de Maryland en College Park, pueden acelerar fotones (partículas de luz) a velocidades aparentemente mayores que la de la luz a través de una pila de materiales añadiendo una única capa estratégica. Esta demostración experimental confirma las intrigantes predicciones de la física cuántica de que el tránsito de la luz a través de materiales complejos multicapa no necesariamente depende del grosor, como sucede para materiales simples como el vidrio, sino del orden en que se apilen las capas. Éste es el primer estudio publicado sobre esta dependencia en fotones aislados.

Estrictamente hablando, la luz siempre logra su máximo de velocidad en un vacío, y frena apreciablemente cuando viaja a través de una sustancia material, como el vidrio o el agua. Lo mismo es cierto para la luz que viaja a través de una pila de materiales dieléctricos, los cuales son eléctricamente aislantes y pueden usarse para crear estructuras altamente reflectantes que a menudo se usan como coberturas ópticas en espejos y fibra óptica.

En unas medidas experimentales anteriores de seguimiento (ver “A Sub-femtosecond Stop Watch for ‘Photon Finish’ Races”, NIST Tech Beat, 14 de marzo de 2008.), los investigadores del JQI crearon pilas de aproximadamente 30 capas de dieléctricos, cada una de unos 80 nanómetros de grosor, equivalente a aproximadamente un cuarto de la longitud de onda de la luz que viaja por ellos. Las capas alternaban material de índice refractivo alto (H) y bajo (L), lo que provocaba que la luz se curvase o reflejase en cantidades variables. Después de que un fotón asilado impactase en el límite entre las capas H y L, tenía la posibilidad de ser reflejado o pasar a través de ella.

Cuando se encontraban con una pila de 30 capas alternas entre L y H, los pocos fotones que podían penetrar completamente en la pila, la atravesaban en unos 12,84 femtosegundos (femtosegundo, una mil billonésima de segundo). Añadiendo una única capa de bajo índice al final de esta pila se incrementaba desproporcionadamente el tiempo de tránsito del fotón en 3,52 fs a unos 16,36 fs. (El tiempo de tránsito a través de esta capa añadida debería ser de sólo 0,58 fs, si depende del grosor de la capa y el índice refractivo). Por el contrario, añadir una capa H extra a la pila de 30 capas alternas de H y L reduciría el tiempo de tránsito en unos 5,34 fs, por lo que los fotones individuales parecer emerger a través de la pila de 2,6 micras de grosor a velocidades superlumínicas (más rápidas que la luz).

Lo que los investigadores de JQI están viendo puede explicarse mediante las propiedades ondulatorias de la luz. En este experimento, la luz empieza y termina su existencia actuando como una partícula – un fotón. Pero cuando uno de estos fotones impacta en un límite entre las capas de material, crea ondas en cada superficie, y las ondas de luz que viajan interfieren entre sí como las olas opuestas del océano que crean las aguas revueltas de la playa. Con las capas H y L ordenadas de forma adecuada, las ondas de luz interferente se combinan para empujar a los fotones transmitidos que salen antes. No se produce una transferencia de información más rápida que la luz debido a que, en realidad, es similar a una ilusión: sólo una pequeña parte de los fotones atraviesan la pila, si todos los fotones iniciales fueran detectados, los detectores registrarían fotones en una distribución de tiempo normal.


Artículo de Referencia: N. Borjemscaia, S.V. Polyakov, P.D. Lett and A. Migdall, Single-photon propagation through dielectric bandgaps, Optics Express, published online Jan. 21, 2010, doi:10.1364/OE.18.002279.

Autor: Ben Stein, bstein@nist.gov, (301) 975-3097
Fecha Original: 26 de enero de 2010
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Comments (2)

  1. Pararme aquí y ahora a explicar porque la materia no se puede mover en nuestro Universo a una velocidad suiperior a la de la luz, me parece algo fuera de lugar dada la preparación de los asiduos al lugar. Sin embargo, y, al mismo tiempo, soy algo esceptico a que alguna cosa pueda superar esa velocidad de c, ya sea un fotón o aquellos supuestos taquiones.

    De estos experimentos (que de vez en cuando salen a la “luz”) me alejo lo suficiente para poder contemplarlos con la distancia suficiente y el tiempo necesario para sopesar lo profundo de su mensaje que, por lo general, no llegan a sobrepasar lo que nos dice la Relatividad (aunque tenga ya 100 años).

    Lo único claro aquí es que, la energía suministrada a un cuerpo puede influir en él de distintas maneras. Si un martillo golpea a un clavo en medio del aire, el clavo saldrá despedido y ganará energía cinética o, dicho de otro modo, energía de movimiento. Si el martillo golpea sobre un clavo incrustado en madera dura e incapaz por tanto de moverse, el clavo seguirá ganando energía, pero en forma de calor.

    Albert Einstein demostró en su teoría de la Relatividad que la masa cabía contemplarla como forma de energía. Al añadir energía a un cuerpo, esa energía puede aparecer en la forma de masa o bien en otra serie de formas.

    En condiciones normales, la ganacia de energía en forma de masa es tan incleíblemente pequeña que sería imposible medirla. Fue en el siglo XX -con la observación de partículas subatómicas que se movían a decenas de miles de kilómetros por segundo- cuando empezaron a encontrar aumentos de masa que eran suficientemente fgrandes para poder detectarlos. Un cuerpo que se moviera a 260.000 Km/s respecto a nosotros mostraría una masa mayor que en reposo (siempre respecto a nosotros).

    La energía que se comunica a un cuerpo libre puede integrarse en él de dos maneras distintas:

    1) en forma de velocidad, con lo cual aumenta la rapidez de su movimiento, y
    2) en forma de masa, con lo cual se hace “más pesado”

    La división entre estas dos formas de ganacias de energía, tal como la medimos nosotros, depende en primer lugar de la velocidad del cuerpo (medida, una vez más por nosotros)

    Todos sabemos ahora que un muón lanzado por el acelerador de partículas a velocidades relativistas, a medida que se acerca a la velocidad de la luz en el vacío, c, aumenta su masa que puede llegar a ser 10 veces superior a la suya original.

    Al aumentar más la velocidad al acercarse a 299.792,458 km/s, que es la velocidad de la luz en el vacío, casi todo la energía añadida entrará en forma de masa, ya que, esa velocidad, no se puede sobrepasar.

    Ese es, precisamente, el muro que tenemos delante de nosotros para viajar a las estrellas, y, si algún día queremos ir allí, tendremos que buscar la forma de burlar ese límite que nos impone nuestro Universo pero que, de seguro, nos tiene escondida alguna puerta que aún, no hemos sabido ver.

    ¡Más rápido que la luz! Creo que no.
    ¡BUrlar esa velocidad! Creo que sí…con el tiempo.

  2. Angel

    Yo soy más escéptico… no creo que podamos superarla en partículas sin masa, ni creo que podamos alcanzarla en partículas con masa.

    De hecho, estas últimas, por mucho que las aceleremos, seguirán teniendo la velocidad de la luz a “c” en el vacío; pues, todo observador con tiempo propio, desde su Sistema Referencial solidario (sea cual sea) se encuentra siempre en reposo en dicho Sistema y respecto a la luz.

    Para una partícula acelerada a velocidades muy cercanas a “c”, somos los observadores que percibimos esa velocidad cuasilumínica los que tenemos dicha velocidad; mientras que “c” no habrá disminuido para nada desde la observación de dicha partícula.

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