Físicos de la Universidad de Oxford han simulado con éxito la interacción de la luz con el espacio vacío, un fenómeno que antes se consideraba exclusivo de la ciencia ficción. Las simulaciones recrearon un extraño fenómeno predicho por la física cuántica, donde la luz parece generarse a partir de la oscuridad. Los hallazgos abren el camino para que las instalaciones láser del mundo real confirmen experimentalmente fenómenos cuánticos extraños. Los resultados se han publicado en Communications Physics.
Utilizando modelos computacionales avanzados, un equipo de investigación dirigido por la Universidad de Oxford, en colaboración con el Instituto Superior Técnico de la Universidad de Lisboa, ha logrado las primeras simulaciones tridimensionales en tiempo real de cómo los rayos láser intensos alteran el “vacío cuántico”, un estado que antes se asumía que estaba vacío, pero que la física cuántica predice que está lleno de pares virtuales de electrones y positrones.
Curiosamente, estas simulaciones recrean un extraño fenómeno predicho por la física cuántica, conocido como mezcla de cuatro ondas en el vacío. Este fenómeno afirma que el campo electromagnético combinado de tres pulsos láser enfocados puede polarizar los pares virtuales electrón-positrón del vacío, provocando que los fotones reboten entre sí como bolas de billar, generando un cuarto rayo láser en un proceso de “luz desde la oscuridad”. Estos eventos podrían servir como sonda para nuevos descubrimientos de la física a intensidades extremadamente altas.
“Esto no es sólo una curiosidad académica: es un paso importante hacia la confirmación experimental de los efectos cuánticos que hasta ahora han sido en su mayoría teóricos”, dijo el coautor del estudio, el profesor Peter Norreys, del Departamento de Física de la Universidad de Oxford.
Nueva generación de láseres
El trabajo llega justo a tiempo para que una nueva generación de láseres ultrapotentes comience a operar. Instalaciones como Vulcan 20-20 del Reino Unido, el proyecto European Extreme Light Infrastructure (ELI) y las instalaciones de la Estación para la Luz Extrema (SEL) y SHINE de China están listas para proporcionar niveles de potencia lo suficientemente altos como para confirmar potencialmente la dispersión fotón-fotón en el laboratorio por primera vez.
La dispersión fotón-fotón ya ha sido seleccionada como uno de los tres experimentos insignia en la instalación láser de doble haz OPAL de 25 PW de la Universidad de Rochester en Estados Unidos. Las simulaciones se llevaron a cabo utilizando una versión avanzada de OSIRIS, un paquete de software de simulación que modela las interacciones entre los rayos láser y la materia o el plasma.
El autor principal, Zixin Zhang , estudiante de doctorado del Departamento de Física de Oxford, afirma que “nuestro programa informático nos ofrece una ventana tridimensional con resolución temporal a las interacciones del vacío cuántico, que antes eran inaccesibles. Al aplicar nuestro modelo a un experimento de dispersión de tres haces, pudimos capturar la gama completa de firmas cuánticas, junto con información detallada sobre la región de interacción y las escalas de tiempo clave. Tras realizar una evaluación comparativa exhaustiva de la simulación, ahora podemos centrarnos en escenarios más complejos y exploratorios, incluyendo estructuras exóticas de rayos láser y pulsos de foco móvil”.
Modelos cuánticos
Fundamentalmente, estos modelos proporcionan detalles que los experimentadores necesitan para diseñar pruebas precisas en el mundo real, incluyendo formas de láser realistas y tiempos de pulso. Las simulaciones también revelan nuevos conocimientos, como la evolución de estas interacciones en tiempo real y cómo las asimetrías sutiles en la geometría del haz pueden influir en el resultado.
Según el equipo, la herramienta no sólo ayudará a planificar futuros experimentos con láser de alta energía, sino que también podría ayudar a buscar señales de partículas hipotéticas como axiones y partículas milicargadas: candidatos potenciales para la materia oscura.
El profesor Luis Silva, coautor del estudio y profesor visitante de Física en la Universidad de Oxford, del Instituto Superior Técnico de la Universidad de Lisboa, añadió: “Nuestro nuevo método computacional implementado en OSIRIS facilitará enormemente una amplia gama de experimentos planificados en las instalaciones láser más avanzadas. La combinación de láseres ultraintensos, detección de vanguardia y modelado analítico y numérico de vanguardia sienta las bases para una nueva era en las interacciones láser-materia, que abrirá nuevos horizontes para la física fundamental”.