Ley fundamental de conservación de la energía confirmada a nivel cuántico

Energía

Equipo Editorial del Sitio Web de Innovación Tecnológica - 07/07/2025

Esquema de un fotón con momento angular cero (verde) que se divide en dos fotones (rojo) con momentos angulares cero u opuestos (señalados por el gradiente de color), que suman cero, lo que confirma la ley fundamental de conservación del momento angular. [Imagen: Robert Fickler/Universidad de Tampere]

momento angular orbital de la luz

Un equipo de físicos e ingenieros de Alemania, Finlandia e India ha confirmado experimentalmente que el momento angular de la luz se conserva cuando un solo fotón se divide en un par, validando por primera vez un principio fundamental de la física a nivel cuántico, la escala donde prevalecen las leyes de la mecánica cuántica.

Esta demostración experimental abre nuevas posibilidades para crear estados cuánticos complejos, útiles en computación, comunicación y detección.

Las leyes de conservación de la energía son fundamentales para nuestra comprensión de las ciencias naturales, ya que determinan qué procesos están permitidos o prohibidos. Un ejemplo simple e intuitivo es la colisión de dos bolas de billar, en la que el movimiento, y con él su momento lineal, se transfiere de una bola a la otra.

Pero existe una regla de conservación similar para los objetos en rotación, que poseen momento angular. Curiosamente, la luz también puede tener momento angular, por ejemplo, el momento angular orbital (MOA), que está vinculado a la estructura espacial de la luz y está involucrado en muchos avances recientes en el campo de la fotónica , como la torsión de la luz , la formación de nudos de luz , la formación de una rosquilla con luz ; en resumen, la escultura de la luz .

Al descender en la escala, hacia el ámbito cuántico, estas leyes implican que las partículas individuales de luz, llamadas fotones, poseen cantidades bien definidas de momento angular orbital (MOO), que debe conservarse cuando estos fotones interactúan con electrones, átomos y otras partículas. Lo que el equipo ha hecho ahora es llevar la prueba de estas leyes de conservación hasta el límite cuántico absoluto, explorando si la conservación de los cuantos de MOO se cumple cuando un fotón se divide en un par de fotones.

Uno menos uno es igual a cero

La regla de conservación dicta, por ejemplo, que cuando un fotón con MAO cero se divide en dos fotones, los cuantos de MAO de ambos fotones deben sumar cero. Por lo tanto, si uno de los fotones recién generados tiene un cuanto de MAO, su fotón compañero debe tener el opuesto, es decir, cuantos de MAO negativos. En otras palabras, debe cumplirse la simple fórmula 1 + (-1) = 0.

Si bien estas reglas de conservación se han probado y utilizado en innumerables experimentos ópticos con láser, nunca se han probado para un solo fotón. Y con razón: los procesos ópticos no lineales requeridos son muy ineficientes, ya que solo una milmillonésima parte de los fotones se convierte en un par de fotones.

El equipo superó esta dificultad con una configuración óptica extremadamente estable, bajo ruido de fondo, un esquema de detección de la máxima eficiencia y mucha paciencia. Finalmente, lograron registrar suficientes conversiones (un número significativo de fotones descompuestos) para confirmar la ley fundamental de conservación.

"Nuestros experimentos demuestran que la MAO se conserva incluso cuando el proceso es impulsado por un solo fotón. Esto confirma una ley fundamental de conservación en el nivel más fundamental, que en última instancia se basa en la simetría del proceso", afirmó la investigadora Lea Kopf.

Además de confirmar la conservación del momento angular orbital de un solo fotón, el equipo observó los primeros indicios de entrelazamiento cuántico en los pares de fotones generados, lo que indica que la técnica podría extenderse para crear estados cuánticos fotónicos más complejos. «Este trabajo no solo es fundamental, sino que también supone un paso significativo hacia la generación de nuevos estados cuánticos donde los fotones se entrelazan de todas las maneras posibles, es decir, en el espacio, el tiempo y la polarización», afirmó el profesor Robert Fickler.

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