En el año 1619, Johannes Kepler, reconocido astrónomo y matemático alemán, sugirió por primera vez que la presión de la luz solar podría ser responsable de que la cola de los cometas apuntara siempre en dirección contraria al Sol. No fue sino hasta 1873 que James Clerk Maxwell predijo que esta presión de radiación se debía al impulso que residía dentro de los campos electromagnéticos de la luz misma.
Si bien la idea de que la luz tiene impulso no es nueva, la naturaleza exacta de cómo la luz interactúa con la materia ha permanecido como un misterio por casi 150 años. Ahora, enfocados en determinar la naturaleza exacta de cómo la luz interactúa con la materia, un equipo internacional de investigadores ha ideado un método para medir el efecto que tiene un fotón en la materia.
Para medir estas interacciones extremadamente débiles entre los fotones de luz y la materia, el equipo construyó un espejo especial equipado con sensores acústicos y protección térmica, a fin de mantener la interferencia y el ruido de fondo al mínimo.
Posteriormente, dispararon pulsos de láser en el espejo y utilizaron los sensores de sonido para detectar ondas elásticas a medida que se movían por la superficie del espejo; algo que puede ser análogo a observar las ondas en un estanque.
Las simulaciones de la deposición de momento y la deformación del material produjeron formas de onda que coincidían estrechamente con la medición experimental, confirmando que los desplazamientos superficiales medidos eran provocados por el impulso de la luz.
El investigador Kenneth J. Chau, profesor en la Escuela de Ingeniería de la Universidad British Columbia en Canadá y coautor del estudio, comentó:
“Hasta ahora no habíamos determinado cómo este impulso se convierte en fuerza o movimiento, debido a que la cantidad de impulso transportada por la luz es muy pequeña; simplemente no tenemos equipos lo suficientemente sensibles como para resolver esto”.
Los autores del estudio explican que al no poder medir directamente el impulso del fotón, se enfocaron en detectar su efecto en un espejo “escuchando” las ondas elásticas en su superficie.
Al hacerlo, pudieron rastrear las características de esas ondas hasta el momentum que reside en el pulso de luz mismo, lo que abre la puerta para finalmente definir y modelar cómo interactúa el impulso de luz en la materia.
El descubrimiento, además de avanzar en la comprensión fundamental de la luz, podría ser utilizado potencialmente para la caracterización de materiales, ya que las ondas elásticas inducidas ópticamente proporcionan firmas únicas que dependen de las propiedades ópticas y viscoelásticas locales.
Pero los autores también apuntan a aplicaciones prácticas de la presión de radiación. Al respecto, el investigador Nelson Astrath, coautor del estudio, comentó:
“Imagina viajar a estrellas distantes en yates interestelares impulsados por velas solares; o tal vez, aquí en la Tierra, desarrollando pinzas ópticas que podrían ensamblar máquinas microscópicas. Todavía no llegamos a eso, pero el descubrimiento en este trabajo es un paso importante en esa dirección.”
Referencia: Isolated detection of elastic waves driven by the momentum of light. Nature Communications, 2018. https://doi.org/10.1038/s41467-018-05706-3