Físicos de la Universidad de Bonn y de la Universidad de Kaiserslautern-Landau (RPTU) han creado un gas unidimensional fuera de la luz. Esto les permitió comprobar por primera vez predicciones teóricas sobre la transición de la materia a este estado exótico. El método utilizado por los investigadores en el experimento se puede utilizar para probar efectos cuánticos. Los resultados se publican en la revista “Nature Physics”.
Imagina que estás parado en una piscina y te surge la idea de llenarla con más agua. Tomas una manguera de jardín y la usas para crear un chorro de agua que se curva formando un arco alto y cae en cascada sobre la superficie del estanque. El nivel del agua sube brevemente en el punto en el que el chorro de agua golpea el estanque, pero este cambio en el nivel del agua es mínimo porque el agua que cae se distribuye rápidamente por toda la extensión de agua.
Sin embargo, el efecto es diferente si llenas el desagüe con tu propio chorro de agua. El chorro crea una ola de agua en el punto donde apuntas la manguera. Esto se debe a que las paredes del canalón garantizan que el agua no pueda escurrirse por una superficie, sino que solo pueda distribuirse en la dirección del canalón. Cuanto más estrecho es el canal, mayor es la amplitud de la onda y, por tanto, más “unidimensional” se vuelve.
Físicos del Instituto de Física Aplicada (IAP) de la Universidad de Bonn, en colaboración con colegas de la RPTU, han investigado si se pueden lograr efectos similares de dimensionalidad con gases compuestos de partículas ligeras. “Para crear este tipo de gases es necesario concentrar muchos fotones en un espacio reducido y enfriarlos simultáneamente”, explica el Dr. Frank Wevinger del IAP, del que también forma parte el área de investigación transdisciplinaria “Meter” de la universidad. explica. de boone
Canalones microscópicamente pequeños
En su experimento, los investigadores llenaron un pequeño recipiente con una solución de tinte y lo excitaron con un láser. Los fotones resultantes rebotan entre las paredes reflectantes del contenedor. Cada vez que golpeaban una molécula de tinte, se enfriaban hasta que se condensaba el gas fotónico.
La dimensión del gas puede verse afectada modificando la superficie de las superficies reflectantes. Los investigadores del IAP colaboraron en esta investigación con un grupo de investigación dirigido por el Prof. Dr. Georg von Freimann de la RPTU. Se adoptó un método de estructuración de alta resolución para aplicarlo a las superficies reflectantes del contenedor de fotones para este experimento. “Pudimos aplicar un polímero transparente a superficies reflectantes para crear protuberancias microscópicamente pequeñas”, explica Julian Schulz de RPTU. “Estas protuberancias nos permiten atrapar fotones en una o dos dimensiones y condensarlos”.
“Estos polímeros actúan como una especie de canalón, pero en este caso para la luz”, afirma Kiran Kumar Karki Hilli Amesh, autor principal del estudio. “Cuanto más estrecha es la canaleta, más unidireccional se mueve el gas”.
Las fluctuaciones térmicas agotan el punto de condensación.
En dos dimensiones, existe un rango de temperatura definido en el que se produce la condensación, del mismo modo que el agua se congela exactamente a cero grados Celsius. Los físicos llaman a esto una transición de fase. “Sin embargo, las cosas son un poco diferentes cuando producimos un gas unidimensional en lugar de uno bidimensional”, dice Wevinger. “En los gases fotónicos se producen las llamadas fluctuaciones térmicas, pero son tan pequeñas en dos dimensiones que no tienen ningún efecto real. Sin embargo, en una dimensión estas fluctuaciones pueden crear, simbólicamente, grandes ondas. “
Estas fluctuaciones destruyen el orden del sistema unidimensional, de modo que diferentes regiones dentro del gas ya no se comportan igual. Como resultado, la transición de fase, que todavía está claramente definida en dos dimensiones, se “borra” cada vez más cuanto más unidimensional se vuelve el sistema. Sin embargo, sus propiedades todavía están regidas por la física cuántica, como en el caso de los gases bidimensionales, y dichos gases se denominan gases cuánticos degenerados. Esto es similar a cómo el agua se convierte en agua helada a bajas temperaturas a medida que se enfría, siempre que no esté completamente congelada. “Ahora podemos investigar por primera vez este comportamiento durante la transición de un gas fotónico bidimensional a uno unidimensional”, explica Wevinger.
El grupo de investigación pudo demostrar que los gases fotónicos unidimensionales en realidad no tienen un punto de condensación preciso. Al realizar pequeños cambios en la estructura del polímero, ahora será posible investigar con gran detalle los fenómenos que ocurren en la transición entre diferentes dimensiones. Todavía se considera investigación básica, pero es posible que abra nuevas áreas de aplicación de los efectos ópticos cuánticos.
Instituciones participantes y financiación:
En el estudio participaron las siguientes instituciones: IAP de la Universidad de Bonn, el Instituto Fraunhofer de Matemáticas Industriales (ITWM) de Kaiserslautern y la Universidad Kaiserslautern-Landau (RPTU). Este estudio fue financiado por el Consejo Europeo de Investigación (ERC) de la Unión Europea y la Fundación Alemana de Investigación (DFG) como parte del centro de investigación colaborativo TRR 185.
