Las perturbaciones simplifican el estudio de los "superfotones"

Un estudio aporta nuevos conocimientos sobre propiedades a menudo difíciles de observar

11.06.2024
A. Erglis/Albert-Ludwigs-Universität Freiburg

Vista artística de un condensado fotónico de Bose-Einstein (amarillo) en un baño de moléculas de colorante (rojo) que ha sido perturbado por una fuente de luz externa (destello blanco).

Miles de partículas de luz pueden fusionarse en una especie de "superfotón" en condiciones adecuadas. Los físicos llaman a este estado condensado fotónico de Bose-Einstein. Investigadores de la Universidad de Bonn han demostrado que este exótico estado cuántico obedece a un teorema fundamental de la física. Este hallazgo permite ahora medir propiedades de los condensados de Bose-Einstein de fotones a las que suele ser difícil acceder. El estudio se ha publicado en la revista "Nature Communications".

Si muchos átomos se enfrían a una temperatura muy baja confinados en un pequeño volumen, pueden llegar a ser indistinguibles y comportarse como una única "superpartícula". Los físicos también llaman a esto condensado de Bose-Einstein o gas cuántico. Los fotones se condensan siguiendo un principio similar y pueden enfriarse utilizando moléculas de colorante. Estas moléculas actúan como pequeños refrigeradores y se tragan las partículas de luz "calientes" antes de escupirlas de nuevo a la temperatura adecuada.

"En nuestros experimentos llenamos un recipiente diminuto con una solución de colorante", explica el Dr. Julian Schmitt, del Instituto de Física Aplicada de la Universidad de Bonn. "Las paredes del recipiente eran muy reflectantes". A continuación, los investigadores excitaron las moléculas de colorante con un láser. Esto produjo fotones que rebotaban entre las superficies reflectantes. A medida que las partículas de luz chocaban repetidamente con las moléculas de colorante, se enfriaban y finalmente se condensaban en un gas cuántico.

Los superfotones parpadean como una vela

Sin embargo, este proceso continúa después, y las partículas del superfotón chocan repetidamente con las moléculas de colorante, siendo engullidas antes de ser escupidas de nuevo. Por tanto, el gas cuántico contiene a veces más y a veces menos fotones, lo que hace que parpadee como una vela. "Utilizamos este parpadeo para investigar si un importante teorema de la física es válido en un sistema de gas cuántico", explica Schmitt.

Este llamado "teorema de la regresión" puede ilustrarse con una sencilla analogía: Supongamos que el superfotón es una hoguera que a veces se enciende aleatoriamente con mucha fuerza. Después de que el fuego arda con especial intensidad, las llamas se apagan lentamente y el fuego vuelve a su estado original. Curiosamente, también se puede hacer que el fuego arda intencionadamente soplando aire en las brasas. En términos sencillos, el teorema de la regresión predice que el fuego seguirá consumiéndose de la misma manera que si la llamarada se hubiera producido al azar. Esto significa que responde a la perturbación exactamente de la misma manera que fluctúa por sí mismo sin ninguna perturbación.

Soplando aire en una llamarada de fotones

"Queríamos averiguar si este comportamiento también se aplica a los gases cuánticos", explica Schmitt, que también es miembro del área de investigación transdisciplinar (TRA) "Bloques de construcción de la materia" y del clúster de excelencia "Materia y luz para la computación cuántica" de la Universidad de Bonn. Para ello, los investigadores midieron primero el parpadeo de los superfotones para cuantificar las fluctuaciones estadísticas. A continuación, echaron leña al fuego, en sentido figurado, disparando brevemente otro láser al superfotón. Esta perturbación hizo que se encendiera brevemente antes de volver lentamente a su estado inicial.

"Pudimos observar que la respuesta a esta ligera perturbación sigue exactamente la misma dinámica que las fluctuaciones aleatorias sin perturbación", explica el físico. "De este modo pudimos demostrar por primera vez que este teorema también se aplica a formas exóticas de materia como los gases cuánticos". Curiosamente, lo mismo ocurre con las perturbaciones fuertes. Los sistemas suelen responder de forma distinta a las perturbaciones más fuertes que a las más débiles; un ejemplo extremo es una capa de hielo que se rompe de repente cuando la carga que se le impone es demasiado pesada. "Esto se llama comportamiento no lineal", explica Schmitt. "Sin embargo, el teorema sigue siendo válido en estos casos, como hemos podido demostrar ahora junto con nuestros colegas de la Universidad de Amberes".

Los hallazgos son de enorme relevancia para la investigación fundamental con gases cuánticos fotónicos, porque a menudo no se sabe con precisión cómo parpadearán en su brillo. Es mucho más fácil determinar cómo responde el superfotón a una perturbación controlada. "Esto nos permite conocer propiedades desconocidas en condiciones muy controladas", explica Schmitt. "Nos permitirá, por ejemplo, averiguar cómo se comportan en su núcleo los nuevos materiales fotónicos compuestos por muchos superfotones".

Institutos participantes y financiación

En el estudio participaron el Instituto de Física Aplicada de la Universidad de Bonn, la Universidad de Amberes (Bélgica) y la Universidad de Friburgo. El proyecto contó con el apoyo de la Fundación Alemana de Investigación (DFG), la Unión Europea (ERC Starting Grant), el Centro Aeroespacial Alemán (DLR) y la agencia de financiación belga FWO Flandes.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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