Investigadores del Cinvestav, la UNAM y el CICESE reprodujeron de manera análoga la radiación de Hawking, un fenómeno propuesto hace más de 50 años para explicar cómo los agujeros negros pueden emitir partículas cuánticas. El estudio, publicado en “Nature Communications”, coloca a la ciencia mexicana en la frontera de la investigación en óptica cuántica y gravedad análoga. A continuación, la historia:
En 1793, el párroco británico John Michell describió por primera vez lo que hoy se conoce como agujero negro. Su concepto no se retomó sino hasta el principio del siglo pasado por el astrónomo Karl Schwarzschild, quien aportó el llamado horizonte de eventos para representar la región o frontera del agujero negro donde los objetos quedan atrapados sin poder comunicarse con el exterior.
Sin embargo, en 1974 surgió el mecanismo de la radiación de Hawking, donde se propone que los agujeros negros presentan efectos cuánticos al permitir la emisión de radiación cerca del horizonte de eventos. Aquí se emiten pares de partículas, donde una escapa y la otra cae al agujero negro.
Este concepto teórico de hace más de 50 años fue reproducido de manera análoga recientemente en un experimento realizado en conjunto por el Cinvestav y la UNAM, a través del cual fue posible corroborar el concepto de Hawking en un sistema análogo en el que un fotón (una partícula de luz) es capaz de salir del horizonte de eventos generado en una fibra óptica.
Los resultados del experimento, descritos en un artículo titulado Measurement of analogue Hawking radiation stimulated by a single photon, publicado en la revista científica Nature Communications, confirman que el experimento desarrollado entre ambas instituciones educativas replica de manera análoga el mecanismo de la radiación de Hawking.
Para Rodrigo Felipe Elizarrarás, graduado del Cinvestav y actual posdoctorante en la UNAM y quien participó en el experimento, conceptos como la radiación de Hawking, al menos en el caso de agujeros negros, son prácticamente imposibles de medir de manera experimental, por lo que desarrollar tecnología para realizar experimentos análogos es de gran utilidad a fin de poner a prueba las teorías.
“El experimento consistió en emplear fibra óptica especial, conocida como fibra de cristal fotónico (PCF), para generar pares de fotones mediante un proceso cuántico llamado mezcla espontánea de cuatro ondas (SFWM). En cada par, la detección de uno de los fotones sirve como ‘anuncio’ de la existencia del otro, permitiendo preparar estados de un solo fotón con gran precisión”, explicó David Bermúdez Rosales, investigador del Departamento de Física del Cinvestav y uno de los titulares del experimento.
Una vez generado el par de fotones, uno de ellos interactúa con un pulso intenso de luz que viaja por la fibra, creando un análogo óptico del horizonte de eventos de un agujero negro. Cuando el fotón entra en esta región, pueden ocurrir dos posibilidades: atravesar el pulso luminoso o estimular el proceso análogo de Hawking, generando un nuevo fotón con una frecuencia distinta, equivalente a la “radiación de Hawking” óptica.
“Comprobamos que la señal observada corresponde al efecto de Hawking análogo y verificamos su naturaleza cuántica mediante mediciones de correlaciones entre fotones. Estas pruebas mostraron que la radiación generada conserva propiedades de un solo fotón, confirmando que el fenómeno ocurre en un régimen genuinamente cuántico”, explicó Bermúdez Rosales.
Alfred U’Ren Cortés, responsable del Laboratorio de Óptica Cuántica del Instituto de Ciencias Nucleares de la UNAM, destacó que este experimento fue posible gracias a la experiencia del grupo en el diseño e implementación de fuentes de luz no clásica, así como a la infraestructura experimental de vanguardia con la que cuenta el laboratorio. Entre ella sobresalen los detectores superconductores de nanoalambres, considerados actualmente una de las tecnologías más avanzadas para la detección de fotones individuales.
Por su parte, Felipe Elizarrarás señaló que la relevancia del experimento es que hasta ahora se habían realizado similares utilizando señales intensas o clásicas de luz. En cambio, la investigación realizada por los científicos mexicanos emplea por primera vez un fotón, con lo que fue posible confirmar el carácter cuántico del fenómeno. Esto coloca a estos grupos mexicanos en la vanguardia de la exploración experimental en gravedad análoga en óptica cuántica.
En el proyecto participó también Karina Garay Palmett, investigadora del Cicese, quien explicó que su aportación fue estudiar la mezcla espontánea de cuatro ondas (SFWM), un proceso cuántico utilizado para generar pares de fotones dentro de la fibra óptica, así como en la caracterización de la fibra de cristal fotónico empleada en el experimento, elementos fundamentales para lograr las condiciones necesarias de la radiación de Hawking análoga.
“Uno de los aspectos más valiosos de este trabajo fue la integración de conocimientos provenientes de distintas áreas, como la óptica no lineal, la óptica cuántica y la gravedad análoga. Este tipo de colaboraciones demuestra cómo la ciencia avanza cuando diferentes especialidades convergen. Además, resulta especialmente significativo que un experimento de esta relevancia internacional haya sido desarrollado con talento, infraestructura y colaboración científica construidos en México”, concluyó la investigadora.