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Investigadores de la Universidad de Bonn han creado un gas de partículas de luz que puede comprimirse extremadamente, abriendo vías a nuevos tipos de sensores que pueden medir fuerzas diminutas.
Si tapa la salida de una bomba de aire con el dedo, aún puede empujar el pistón hacia abajo. La razón: los gases son bastante fáciles de comprimir, a diferencia de los líquidos, por ejemplo. Si la bomba contuviera agua en lugar de aire, sería esencialmente imposible mover el pistón, incluso con el mayor esfuerzo.
Los gases suelen consistir en átomos o moléculas que giran más o menos rápido por el espacio. Es bastante similar con la luz: sus componentes básicos más pequeños son los fotones, que en cierto modo se comportan como partículas. Y estos fotones también pueden tratarse como un gas, sin embargo, uno que se comporta de manera algo inusual: puede comprimirlo bajo ciertas condiciones casi sin esfuerzo. Al menos eso es lo que predice la teoría.
Investigadores del Instituto de Física Aplicada (IAP) de la Universidad de Bonn ahora han demostrado este mismo efecto en experimentos por primera vez y publican resultados en Science. "Para hacer esto, almacenamos partículas de luz en una pequeña caja hecha de espejos", explica en un comunicado el Dr. Julian Schmitt del IAP, quien es investigador principal en el grupo del Prof. Dr. Martin Weitz. "Cuantos más fotones pusimos allí, más denso se volvió el gas fotónico".
La regla suele ser: cuanto más denso es un gas, más difícil es comprimirlo. Este también es el caso con la bomba de aire obstruida: al principio, el pistón se puede empujar hacia abajo con mucha facilidad, pero en algún momento apenas se puede mover más, incluso cuando se aplica mucha fuerza. Los experimentos de Bonn fueron inicialmente similares: cuantos más fotones ponían en la caja del espejo, más difícil se volvía comprimir el gas.
Sin embargo, el comportamiento cambió abruptamente en un punto determinado: tan pronto como el gas fotónico excedía una densidad específica, de repente podía comprimirse casi sin resistencia. "Este efecto resulta de las reglas de la mecánica cuántica", explica Schmitt. La razón: La luz las partículas exhiben una "borrosidad"; en términos simples, su ubicación es algo borrosa. A medida que se acercan mucho entre sí a altas densidades, los fotones comienzan a superponerse. Los físicos también hablan entonces de una "degeneración cuántica" del gas. Y se vuelve mucho más fácil comprimir un gas cuántico degenerado.
Si la superposición es lo suficientemente fuerte, las partículas de luz se fusionan para formar una especie de superfotón, un condensado de Bose-Einstein. En términos muy simplificados, este proceso puede compararse con la congelación del agua: en estado líquido, las moléculas de agua están desordenadas; luego, en el punto de congelación, se forman los primeros cristales de hielo, que eventualmente se fusionan en una capa de hielo extendida y altamente ordenada. Las "islas de orden" también se forman justo antes de la formación del condensado de Bose-Einstein, y se vuelven cada vez más grandes con la adición adicional de fotones.
El condensado se forma solo cuando estas islas han crecido tanto que el orden se extiende por toda la caja del espejo que contiene los fotones. Esto se puede comparar con un lago en el que los témpanos de hielo independientes finalmente se han unido para formar una superficie uniforme. Esto requiere una cantidad mucho mayor de partículas de luz en una caja extendida en comparación con una pequeña. "Pudimos demostrar esta relación en nuestros experimentos", señala Schmitt.
Para crear un gas con un número de partículas variable y una temperatura bien definida, los investigadores usan un "baño de calor": "Insertamos moléculas en la caja del espejo que pueden absorber los fotones", explica Schmitt. "Posteriormente, emiten nuevos fotones que, en promedio, poseen la temperatura de las moléculas, en nuestro caso, poco menos de 300 Kelvin, que es aproximadamente la temperatura ambiente".
Los investigadores también tuvieron que superar otro obstáculo: los gases de fotones no suelen tener una densidad uniforme: hay muchas más partículas en algunos lugares que en otros. Esto se debe a la forma de la trampa en la que suelen estar contenidos. "Tomamos un enfoque diferente en nuestros experimentos", dice Erik Busley, primer autor de la publicación. "Capturamos los fotones en una caja de espejo de fondo plano que creamos utilizando un método de microestructuración. Esto nos permitió crear un gas cuántico homogéneo de fotones por primera vez".
En el futuro, la compresibilidad del gas mejorada cuánticamente permitirá la investigación de sensores novedosos que podrían medir fuerzas diminutas. Además de las perspectivas tecnológicas, los resultados también son de gran interés para la investigación fundamental.
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