Miles de partículas de luz pueden fusionarse formando un «superfotón» en las condiciones adecuadas. Los físicos llaman a este estado condensado de fotón de Bose-Einstein. Investigadores de la Universidad de Bonn han demostrado ahora que este exótico estado cuántico obedece a un teorema fundamental de la física. Este descubrimiento permite ahora medir las propiedades de los condensados ​​de fotones de Bose-Einstein, a los que normalmente es difícil acceder. El estudio se publica en la revista. Conexiones con la naturaleza.

Si muchos átomos se enfrían a temperaturas muy bajas confinados en un volumen pequeño, pueden volverse indistinguibles y comportarse como una única «superpartícula». Los físicos también lo llaman condensado de Bose-Einstein o gas cuántico. Los fotones se condensan según un principio similar y se pueden enfriar utilizando moléculas de tinte. Estas moléculas actúan como pequeños refrigeradores y tragan las partículas de luz «calientes» antes de escupirlas nuevamente a la temperatura adecuada.

«En nuestros experimentos, llenamos un pequeño recipiente con una solución de tinte», explica el Dr. Julian Schmitt 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 condensaron en un gas cuántico.

Los superfotones parpadean como una vela

Sin embargo, este proceso continúa después, y las partículas de superfotón chocan repetidamente con las moléculas de tinte, son tragadas antes de ser escupidas nuevamente. Por lo tanto, el gas cuántico a veces contiene más y a veces menos fotones, lo que hace que parpadee como una vela. «Utilizamos este parpadeo para comprobar si un importante teorema de la física es válido en un sistema de gas cuántico», afirma Schmidt.

Este llamado «teorema de regresión» se puede ilustrar con una simple analogía: supongamos que un superfotón es un fuego que a veces accidentalmente se enciende con mucha intensidad. Después de que el fuego arde con especial intensidad, las llamas disminuyen lentamente y el fuego vuelve a su estado original. Curiosamente, también se puede hacer que una fogata se encienda intencionalmente soplando aire sobre las brasas. En pocas palabras, el teorema de regresión predice que el fuego continuará ardiendo como lo haría si hubiera comenzado aleatoriamente. Esto significa que responde a las perturbaciones exactamente de la misma manera que oscila por sí solo sin perturbaciones.

Soplando aire hacia el fuego de fotones

«Queríamos saber si este comportamiento también se aplica a los gases cuánticos», explica Schmitt, que también es miembro del área de investigación interdisciplinaria (TRA) «Materiales de construcción de la materia» y del grupo «Materia y luz para la computación cuántica». Excelencia en la Universidad de Bonn. Para ello, los investigadores midieron primero el parpadeo de los superfotones para cuantificar las fluctuaciones estadísticas. Luego, en sentido figurado, soplaron aire al fuego disparando brevemente otro láser al superfotón. Esta perturbación hizo que estallara brevemente antes de volver lentamente a su estado original.

«Pudimos observar que la respuesta a esta leve perturbación sigue exactamente la misma dinámica que las fluctuaciones aleatorias sin perturbación», afirma el físico. «De esta manera pudimos demostrar por primera vez que este teorema también se aplica a formas exóticas de la materia, como los gases cuánticos». Curiosamente, esto también se aplica a las perturbaciones fuertes. Los sistemas generalmente responden de manera diferente a perturbaciones más 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 pesada. «Esto se llama comportamiento no lineal», dice Schmidt. «Sin embargo, el teorema sigue siendo válido en estos casos, como hemos podido demostrar ahora junto con nuestros colegas de la Universidad de Amberes».

Estos hallazgos son muy importantes para la investigación fundamental sobre los gases cuánticos fotónicos, ya que a menudo no se sabe exactamente cómo parpadearán en su brillo. Es mucho más fácil determinar cómo responde un superfotón a una perturbación controlada. «Esto nos permite conocer propiedades desconocidas en condiciones muy controladas», explica Schmitt. «Esto nos permitirá, por ejemplo, aprender cómo funcionan en su núcleo nuevos materiales fotónicos compuestos por muchos superfotones».



Source link