Cómo una cuna de Newton para fotones podría revelar los secretos de la fotosíntesis

Stefan Steinbauer Unsplash

Un dispositivo popular para demostrar la conservación de la energía y el impulso es la cuna de Newton, una serie de bolas suspendidas en contacto entre sí. El dispositivo en su forma moderna probablemente se ideó en la década de 1960 y luego se vendió como un juguete de oficina. Pero Newton, y varios otros en el siglo XVII, estaban bien versados ​​en su física.

Estos principios tienen aplicación universal. Se aplican tanto a la escala cosmológica como a la escala humana. También se aplican a escala atómica y subatómica, aunque modificadas por las extrañas leyes de la mecánica cuántica.

Y eso plantea una pregunta interesante: ¿es posible construir el equivalente cuántico de la cuna de Newton utilizando partículas subatómicas, como fotones?

Hoy recibimos una respuesta gracias al trabajo de Zhen Feng en la Universidad Jiao Tong de Shanghai en China y un grupo de colegas. Estos físicos han creado una cuna de Newton a partir de fotones y dicen que la física involucrada podría ayudar a explicar una variedad de procesos de transferencia de energía en la naturaleza poco conocidos, como la fotosíntesis y la detección de olores.

La cuna de Newton es un dispositivo simple. Una demostración comienza levantando y dejando caer la pelota en un extremo de la serie suspendida. Cuando esta bola choca con la siguiente en la fila, transfiere su energía e impulso. La segunda bola luego transfiere su energía e impulso a la siguiente bola y así sucesivamente, hasta que la última bola es impulsada por el aire. Se aleja y luego retrocede, momento en el que el proceso de transferencia de energía y cantidad de movimiento se repite en la dirección opuesta.

La belleza del dispositivo es que la transferencia de energía y momento no necesita ser controlada en cada paso. En cambio, el dispositivo está diseñado de una manera que garantiza que la transferencia se produzca por sí misma. La única influencia que tiene el experimentador es sobre la condición de contorno: la altura a la que se eleva la primera bola.

La cuestión que investigan Zhen y compañía es si se puede diseñar un sistema similar para que funcione con fotones. Su equivalente a la cuna es una serie de guías de ondas talladas en un chip fotónico. Un fotón entra en la primera guía de ondas, luego salta a la siguiente, y así sucesivamente, hasta que emerge de la última guía de ondas. En total, hay 23 guías de ondas en esta cadena.

Fundamentalmente, el fotón debe conservar su identidad cuántica durante cada salto. Por lo tanto, no puede haber decoherencia: el fotón que emerge debe ser reconociblemente el mismo que entró en el aparato.

Un factor clave es el acoplamiento entre las guías de ondas. Esto determina si el fotón puede hacer el salto con éxito o si es reflejado o absorbido.

Entonces, la forma en que se diseña el chip fotónico es crucial. De hecho, Zhen y compañía perfeccionaron su diseño para que no haya necesidad de controlar cada salto, simplemente ocurre de la misma manera que la energía se transfiere de una pelota a otra en la cuna de Newton. La cadena es capaz de transferir energía entre dos sitios remotos con la misma forma de intercambio de energía y mecánica de interacción de la cuna de Newton, dicen Zhen y compañía.

El equipo también introduce ruido en la cuna para ver cómo reduce la eficiencia de transferencia. Lo hacen agregando una guía de ondas adicional, un sitio de isla, al lado de la cadena. Esto aparece como un callejón sin salida para los fotones y parecería prevenir o reducir la transferencia de energía. El sitio de la isla recién agregado puede considerarse como ruido, defecto o entorno para la cadena original controlada por límites, dicen los investigadores.

Pero en contra de la intuición, sucede lo contrario. Zhen y compañía muestran que existe una amplia gama de condiciones en las que este ruido mejora la eficiencia de transmisión en lugar de reducirla: podemos obtener un aumento del 8% desde el 77% (sin defecto) al 85% (con defecto).

Eso tiene algunas similitudes con las observaciones de la transferencia de energía en los seres vivos. Resulta que los sistemas fotosintéticos se comportan de manera similar. Varios grupos de investigación han notado que los defectos parecen mejorar la transferencia de energía a través de las estructuras moleculares gigantes involucradas en la fotosíntesis. Un efecto similar ocurre en la detección de olores, que se cree que es un fenómeno cuántico.

Ser capaz de reproducir este efecto desconcertante en un sistema artificial permitirá a los investigadores estudiarlo con más detalle. De hecho, la cuna fotónica de Newton se convertirá en un modelo útil para comprender mejor los procesos de la vida. Newton se habría quedado asombrado.

Ref: arxiv.org/abs/1901.07574 : Cuna fotónica de Newton para el transporte remoto de energía

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