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 en el experimento por los investigadores se puede utilizar para probar el efecto cuántico. Los resultados fueron publicados en la revista “Nature Physics”.
Imagina que estás parado en una piscina y se te ocurre la idea de llenarla con más agua. Se toma una manguera de jardín y se usa para crear un chorro de agua que se curva a alta presión para golpear la superficie de la piscina. El nivel del agua sube brevemente en el lugar donde el chorro de agua golpea la piscina, pero este cambio en el nivel del agua es mínimo porque el agua que cae se distribuye rápidamente por toda la extensión de agua.
El efecto es diferente, sin embargo, si llenas un canalón con tu chorro de agua. El chorro de agua provoca una ola cuando apuntas a la manguera. Esto se debe a que las paredes del canalón garantizan que el agua no pueda fluir sobre ninguna superficie, sino que solo pueda distribuirse hacia el 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 puede lograr un efecto de magnitud similar con un gas formado por partículas ligeras. “Para crear un gas así, necesitamos concentrar muchos fotones en un espacio reducido y al mismo tiempo enfriarlos”, explica el Dr. Frank Wiwinger del IAP, que también es miembro del área de investigación transdisciplinaria “Materia” de la universidad. “. del bosque
Canales 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 chocan con una molécula de tinte, se enfrían hasta que finalmente se condensan en un gas fotónico.
La dimensionalidad del gas puede verse afectada cambiando la superficie de la superficie reflectante. En este estudio, los investigadores del IAP colaboraron con el equipo de investigación dirigido por el Prof. Dr. Georg von Freimann del RPTU. Se adaptó un método de estructura de alta resolución para que pudiera aplicarse a las superficies reflectantes de contenedores de fotones para este experimento. “Pudimos aplicar un polímero transparente a las superficies reflectantes para crear protuberancias microscópicamente pequeñas”, explica Julian Schulz de la RPTU. “Estas protuberancias nos permiten atrapar fotones en una o dos dimensiones y concentrarlos”.
“Estos polímeros actúan como una especie de conducto, pero en este caso para la luz”, dijo Kirankumar Karkihalli Umesh, autor principal del estudio. “Cuanto más estrecho es este canal, más unidimensional se comporta el gas”.
Las fluctuaciones térmicas impulsan el punto de condensación.
En dos dimensiones, existe un límite de temperatura definido en el que se produce la condensación, del mismo modo que el agua se congela a cero grados Celsius. Los físicos llaman a esto una transición de fase. “Sin embargo, las cosas son un poco diferentes cuando creamos un gas unidimensional en lugar de uno bidimensional”, dice Viwinger. “En el gas de fotones 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, metafóricamente hablando, generar grandes ondas”.
Estas fluctuaciones destruyen el orden del sistema unidimensional, de modo que diferentes regiones dentro del gas ya no se comportan igual. En consecuencia, las transiciones de fase, que todavía están definidas con precisión en dos dimensiones, se “borrarán” 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. A medida que el agua se convierte en agua helada a baja temperatura en lugar de enfriarse. “Ahora podemos investigar por primera vez este comportamiento durante la transición de un gas fotónico bidimensional a uno unidimensional”, explica Vewinger.
Los grupos de investigación pudieron demostrar que el gas fotónico unidimensional en realidad no tiene un punto de condensación definido. Al realizar pequeños cambios en la estructura del polímero, ahora será posible investigar en detalle los fenómenos que ocurren durante las transiciones entre diferentes dimensiones. Esto todavía se considera investigación básica en este momento, pero es posible que pueda abrir nuevas áreas de aplicación para los efectos ópticos cuánticos.
Instituciones y fondos participantes:
En el estudio participaron las siguientes instituciones: el IAP de la Universidad de Bonn, el Instituto Fraunhofer de Matemáticas Industriales (ITWM) de Kaiserslautern y la Universidad de Kaiserslautern-Landau (RPTU). La investigación fue financiada por el Consejo Europeo de Investigación (ERC) de la Unión Europea y la Fundación Alemana de Investigación (DFG) como parte del Centro de Investigación Colaborativa TRR 185.