Miles de partículas de luz pueden combinarse en una especie de “superfotón” en las condiciones adecuadas. Los físicos llaman a este estado condensado de Einstein de fotones-bos. Investigadores de la Universidad de Bonn han demostrado ahora que este exótico estado cuántico obedece a una teoría fundamental de la física. Este hallazgo ahora permite medir las propiedades de los condensados de fotones-Bose-Einstein a las que normalmente es difícil acceder. El estudio se publica en la revista. Comunicaciones de la naturaleza.
Si muchos átomos se enfrían a temperaturas muy bajas confinados en un volumen pequeño, pueden volverse indetectables y comportarse como una única “superpartícula”. Los físicos también lo llaman condensado de Bose-Einstein o gas cuántico. Basado en un principio similar, el fotón se condensa y se puede enfriar usando moléculas de tinte. Estas moléculas actúan como refrigeradores en miniatura y tragan partículas de luz “calientes” antes de escupirlas nuevamente a la temperatura adecuada.
“En nuestros experimentos llenamos un pequeño recipiente con una solución colorante”, explica el Dr. Julian Schmidt del Instituto de Física Aplicada de la Universidad de Bonn. “Las paredes del contenedor eran muy reflectantes”. Luego, los investigadores excitaron las moléculas de tinte con un láser. Esto creó fotones que rebotaban de un lado a otro entre las superficies reflectantes. A medida que las partículas de luz chocaban repetidamente con las moléculas de tinte, se enfriaron y finalmente se convirtieron en un gas cuántico.
Los superfotones parpadean como una vela.
Sin embargo, el proceso continúa después y las partículas de superfotón chocan repetidamente con las moléculas de tinte, que son tragadas antes de ser escupidas nuevamente. Por lo tanto, un gas cuántico a veces tiene más y otras menos fotones, lo que lo hace parpadear como una vela. “Utilizamos este parpadeo para investigar si una importante teoría de la física es cierta en los sistemas cuánticos de gas”, dice Schmidt.
Esta llamada “teoría de la regresión” se puede ilustrar con una simple analogía: supongamos que un superfotón es una hoguera que a veces se enciende con mucha fuerza al azar. Una vez que el fuego es particularmente brillante, las llamas se apagan lentamente y el fuego vuelve a su estado original. Curiosamente, soplar aire sobre una brasa también puede provocar que se inicie un incendio intencionalmente. En pocas palabras, la teoría de la regresión predice que el fuego seguirá ardiendo como si la ignición se hubiera producido al azar. Esto significa que responde a la turbulencia exactamente de la misma manera que fluctuaría por sí solo sin ninguna turbulencia.
Soplando aire hacia el fuego de fotones
“Queríamos saber si este comportamiento también se aplica a los gases cuánticos”, explica Schmidt, que pertenece a los grupos “Building Blocks of Matter” y “Matter and Light for Quantum Computing” del Área de Investigación Transdisciplinaria (TRA). miembros. Excelencia en la Universidad de Bonn. Para ello, los investigadores primero midieron el parpadeo de los superfotones para cuantificar las fluctuaciones estadísticas. Luego, en sentido figurado, soplaron aire al fuego disparando brevemente otro láser al superfotón. La turbulencia hizo que estallara brevemente antes de volver lentamente a su estado original.
“Pudimos observar que la respuesta a esta suave perturbación sigue exactamente la misma dinámica que las fluctuaciones aleatorias sin ninguna perturbación”, afirma el físico. “De esta manera pudimos demostrar por primera vez que esta teoría también se aplica a formas exóticas de materia como los gases cuánticos”. Curiosamente, este también es un caso de ansiedad severa. Los sistemas generalmente responden de manera diferente a perturbaciones fuertes que a perturbaciones más débiles; un ejemplo extremo es una capa de hielo que se rompe repentinamente cuando la carga que se le aplica se vuelve demasiado grande. “Esto se llama comportamiento no lineal”, afirma Schmidt. “Sin embargo, la teoría sigue siendo válida en estos casos, como hemos podido demostrar junto con nuestros colegas de la Universidad de Amberes”.
Estos resultados son de gran importancia para la investigación básica con gases cuánticos fotónicos, porque a menudo no se sabe cómo parpadean en su brillo. Es muy fácil determinar cómo responde un superfotón a una perturbación controlada. “Esto nos permite conocer propiedades desconocidas en condiciones muy controladas”, explica Schmidt. “Esto nos permitirá, por ejemplo, aprender cómo se comportan en su núcleo nuevos materiales fotónicos que contienen muchos superfotones”.
