Los físicos han creado un gas exótico unidimensional que atrapa fotones para crear un estado de la materia conocido como Condensado de Bose-Einstein (BEC). Así como una conga se mueve de forma muy diferente a una multitud en un concierto de rock, el comportamiento de la materia depende en gran medida de si está confinada en una cola unidimensional o se le permite extenderse en un área bidimensional.
Para determinar el punto en el que este comportamiento cambia en un sistema cuántico, investigadores de la Universidad de Bonn y la Universidad de Kaiserslautern-Landau en Alemania llevaron a cabo un experimento. Estaban particularmente interesados en cómo una transición a un confinamiento unidimensional alteraba las propiedades críticas del gas a medida que se enfriaba y sufría un cambio de fase.
Un BEC se forma cuando ciertas partículas, como los fotones, se enfrían y quedan atrapadas en un espacio que las obliga a abandonar su individualidad, convirtiéndose efectivamente en un gas con una identidad cuántica compartida. Gracias a la forma en que se propaga el calor y la confusión cuántica, la transición a este estado es un poco más difícil cuando las partículas tienen menos dimensiones en las que pueden moverse libremente.
“Las cosas son un poco diferentes cuando creamos un gas unidimensional en lugar de uno bidimensional”, dice el físico Frank Vewinger, de la Universidad de Bonn.
“Las llamadas fluctuaciones térmicas tienen lugar en los gases de fotones, pero son tan pequeñas en dos dimensiones que no tienen un impacto real. Sin embargo, en una dimensión estas fluctuaciones pueden, en sentido figurado, generar grandes ondas”.
Para permitir el cambio a un gas unidimensional, los investigadores utilizaron un pequeño recipiente llamado microcavidad y lo llenaron con una solución de tinte. Se utilizó un láser para liberar fotones en la solución, lo que facilitó su enfriamiento. Las paredes reflectantes del recipiente restringieron las propiedades ondulatorias de los fotones, manteniéndolos rebotando en un espacio confinado. Fundamentalmente, el equipo desarrolló un método para producir protuberancias microscópicas a lo largo de las paredes reflectantes utilizando un polímero transparente, reduciendo lentamente la libertad de los fotones.
“Estos polímeros actúan como una especie de canalón, pero en este caso para la luz”, explica el físico Kirankumar Karkihalli Umesh, de la Universidad de Bonn. “Cuanto más estrecho es este canalón, más unidimensional se comporta el gas”.
La configuración experimental permitió al equipo confirmar las predicciones teóricas sobre la forma en que se forman los condensados BOSE en diferentes dimensiones. En el futuro, las estructuras de polímero dentro de la microcavidad podrían ajustarse para probar otras teorías y para explorar más a fondo el comportamiento fundamental de estos estados de la materia altamente inusuales. Por ahora, se ha demostrado que los gases de fotones unidimensionales no tienen un punto de condensación preciso, porque el movimiento de los fotones es muy restringido, y que incluso en una línea de conga, las leyes de la física cuántica reemplazan a las de la física clásica lo suficiente como para formar un estado BEC parcial de baja energía.
“Ahora hemos podido investigar este comportamiento en la transición de un gas de fotones bidimensional a uno unidimensional por primera vez”, dice Vewinger.
La investigación ha sido publicada en Nature Physics.
Fuente: Science Alert.
