La óptica cuántica es un campo de la física cuántica que se ocupa específicamente de la interacción de los fotones con la materia. El estudio de fotones individuales es fundamental para comprender el comportamiento de las ondas electromagnéticas en su conjunto.
Para aclarar exactamente lo que esto significa, la palabra «cuántica» se refiere a la cantidad más pequeña de cualquier entidad física que puede interactuar con otra entidad. La física cuántica, por tanto, se ocupa de las partículas más pequeñas; se trata de partículas subatómicas increíblemente diminutas que se comportan de forma única.
La palabra «óptica», en física, se refiere al estudio de la luz. Los fotones son las partículas de luz más pequeñas (aunque es importante saber que los fotones pueden comportarse como partículas y como ondas).
Desarrollo de la óptica cuántica y la teoría fotónica de la luz
La teoría de que la luz se movía en haces discretos (es decir, fotones) se presentó en el artículo de 1900 de Max Planck sobre la catástrofe ultravioleta en la radiación del cuerpo negro. En 1905, Einstein amplió estos principios en su explicación del efecto fotoeléctrico para definir la teoría fotónica de la luz.
La física cuántica se desarrolló a lo largo de la primera mitad del siglo XX en gran parte a través del trabajo sobre nuestra comprensión de cómo los fotones y la materia interactúan y se relacionan entre sí. Sin embargo, esto fue visto como un estudio del asunto involucrado más que la luz involucrada.
En 1953, se desarrolló el maser (que emitía microondas coherentes) y en 1960 el láser (que emitía luz coherente). A medida que la propiedad de la luz involucrada en estos dispositivos se hizo más importante, la óptica cuántica comenzó a usarse como el término para este campo de estudio especializado.
Recomendaciones
La óptica cuántica (y la física cuántica en su conjunto) considera que la radiación electromagnética viaja en forma de onda y partícula al mismo tiempo. Este fenómeno se llama dualidad onda-partícula.
La explicación más común de cómo funciona esto es que los fotones se mueven en una corriente de partículas, pero el comportamiento general de esas partículas está determinado por una función de onda cuántica que determina la probabilidad de que las partículas estén en una ubicación determinada en un momento dado.
Tomando los hallazgos de la electrodinámica cuántica (QED), también es posible interpretar la óptica cuántica en forma de creación y aniquilación de fotones, descrita por operadores de campo. Este enfoque permite el uso de ciertos enfoques estadísticos que son útiles para analizar el comportamiento de la luz, aunque si representa lo que está sucediendo físicamente es un tema de debate (aunque la mayoría de la gente lo ve como un modelo matemático útil).
Aplicaciones
Los láseres (y máseres) son la aplicación más obvia de la óptica cuántica. La luz emitida por estos dispositivos está en un estado coherente, lo que significa que la luz se parece mucho a una onda sinusoidal clásica. En este estado coherente, la función de onda de la mecánica cuántica (y, por tanto, la incertidumbre de la mecánica cuántica) se distribuye por igual. La luz emitida por un láser es, por lo tanto, muy ordenada y generalmente limitada a esencialmente el mismo estado de energía (y por lo tanto la misma frecuencia y longitud de onda).
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