Los físicos observan una nueva fase en el condensado de partículas ligeras de Bose-Einstein

Un único «superfotón» compuesto por miles de partículas de luz individuales: hace unos diez años, los investigadores de la Universidad de Bonn produjeron un estado agregado tan extremo por primera vez y presentaron una fuente de luz completamente nueva. El estado se llama condensado óptico de Bose-Einstein y ha cautivado a muchos físicos desde entonces, porque este mundo exótico de partículas de luz alberga sus propios fenómenos físicos.

Los investigadores dirigidos por el Prof. Dr. Martin Weitz, quien descubrió el super fotón, y el físico teórico Prof. Dr. Johann Kroha han regresado de su última «expedición» al mundo cuántico con una observación muy especial. Informan de una nueva transición de fase previamente desconocida en el condensado óptico de Bose-Einstein. Esta es la denominada fase sobreamortiguada. Los resultados pueden ser relevantes a largo plazo para la comunicación cuántica cifrada. El estudio ha sido publicado en la revista Science.

El condensado de Bose-Einstein es un estado físico extremo que generalmente solo ocurre a temperaturas muy bajas. Lo que es especial: las partículas de este sistema ya no se pueden distinguir y están predominantemente en el mismo estado mecánico cuántico, en otras palabras, se comportan como una sola «superpartícula» gigante. Por tanto, el estado puede describirse mediante una única función de onda.

En 2010, los investigadores dirigidos por Martin Weitz lograron por primera vez crear un condensado de Bose-Einstein a partir de partículas de luz (fotones). Su sistema especial todavía está en uso hoy en día: los físicos atrapan partículas de luz en un resonador hecho de dos espejos curvos espaciados un poco más de un micrómetro que reflejan un rayo de luz que se mueve rápidamente. El espacio se llena con una solución de tinte líquido, que sirve para enfriar los fotones. Esto se hace cuando las moléculas de tinte «tragan» los fotones y luego los escupen de nuevo, lo que lleva las partículas de luz a la temperatura de la solución de tinte, equivalente a la temperatura ambiente. Antecedentes: El sistema permite enfriar partículas ligeras en primer lugar, porque su característica natural es disolverse al enfriarse.

Separación clara de dos fases

La transición de fase es lo que los físicos llaman la transición entre el agua y el hielo durante la congelación. Pero, ¿cómo ocurre la transición de fase particular dentro del sistema de partículas de luz atrapadas? Los científicos lo explican de esta manera: los espejos algo translúcidos hacen que los fotones se pierdan y se reemplacen, creando un desequilibrio que hace que el sistema no asuma una temperatura definida y se ponga en oscilación. Esto crea una transición entre esta fase oscilante y una fase amortiguada. Amortiguado significa que la amplitud de la vibración disminuye.

«La fase sobreamortiguada que observamos corresponde a un nuevo estado del campo de luz, por así decirlo», dice el autor principal Fahri Emre Öztürk, estudiante de doctorado en el Instituto de Física Aplicada de la Universidad de Bonn. La característica especial es que el efecto del láser generalmente no está separado del del condensado de Bose-Einstein por una transición de fase, y no existe un límite claramente definido entre los dos estados. Esto significa que los físicos pueden ir y venir continuamente entre los efectos.

«Sin embargo, en nuestro experimento, el estado sobreamortiguado del condensado óptico de Bose-Einstein está separado por una transición de fase tanto del estado oscilante como del láser estándar», dice el líder del estudio, el Prof. Dr. Martin Weitz. «Esto muestra que hay un condensado Bose-Einstein, que en realidad es un estado diferente al del láser estándar.» En otras palabras, estamos tratando con dos fases separadas del condensado óptico Bose-Einstein «, enfatiza.

Los investigadores planean utilizar sus hallazgos como base para estudios adicionales para buscar nuevos estados del campo de luz en múltiples condensados ​​de luz acoplados, que también pueden ocurrir en el sistema. «Si se producen estados adecuados entrelazados mecánicamente cuánticos en condensados ​​de luz acoplados, esto puede ser interesante para transmitir mensajes cifrados cuánticos entre múltiples participantes», dice Fahri Emre Öztürk.

Fondos

El estudio recibió financiación del Centro de Investigación Colaborativa TR 185 «OSCAR – Control de la materia cuántica atómica y fotónica mediante acoplamiento a medida con reservorios» de las universidades de Kaiserslautern y Bonn y del Cluster of Excellence ML4Q de las universidades de Colonia, Aquisgrán, Bonn. y el Centro de Investigación Jülich, financiado por la Fundación de Investigación Alemana. El Clúster de Excelencia está integrado en el Área de Investigación Transdisciplinaria (TRA) «Bloques de construcción de la materia e interacciones fundamentales» de la Universidad de Bonn. Además, el estudio fue financiado por la Unión Europea dentro del proyecto «PhoQuS – Photons for Quantum Simulation» y el Centro Aeroespacial Alemán con financiación del Ministerio Federal de Economía y Energía.

Fuente: la Universidad de Bonn