NeoFronteras

Condensado de fotones

Área: Física — lunes, 29 de noviembre de 2010

Consiguen el primer condensado de Bose-Einstein de fotones. Lo han logrado a temperatura ambiente y este logro posiblemente abra las puertas a nuevas aplicaciones tecnológicas.

Los físicos frente a su experimento. Fuente: Volker Lannert, U. de Bonn.

La Física Estadística dice que el comportamiento colectivo de las partículas obedece a dos tipos de comportamiento.
Al primer tipo pertenecen las partículas de spin semientero y responden a la estadística de Fermi, sufren el principio de exclusión de Pauli y al no poder ocupar el mismo estado cuántico en el mismo lugar digamos que tienen a “repelerse”, son como los viajeros de un vagón de metro colocándose a máxima distancia unos de otros. Como ejemplo de este primer tipo tenemos a los electrones, muones, protones e incluso átomos cuya contabilidad total de spines da un spin semientero.
Al segundo tipo corresponden los bosones, que responden a la estadística de Bose-Einstein. Estas partículas tienen el spin entero, no sufren el principio de exclusión de Pauli y que pueden ocupar el mismo lugar con el mismo estado cuántico. Es decir, tienden a “agregarse”. Como ejemplo tenemos las partículas portadoras de fuerzas como los fotones, gluones, W, Z y a átomos cuyo spin sea entero.
Quizás lo más interesante de los bosones es que pueden adoptar la forma de condensado de Bose-Einstein (CBE) si la temperatura es lo suficientemente baja. La temperatura es la enemiga del orden en Física, pues la agitación que representa se opone a cualquier estructura que pueda adoptar un sistema, sea un imán o un grupo de átomos bosónicos. Las partículas que forman un condensado de este tipo comportan como si fuera una sola partícula, como un solo ente cuántico.
Hace ya tiempo que se obtuvieron CBE basados en átomos de rubidio. Cuando se conseguía constreñir un conjunto de estos átomos en un espacio pequeño y se bajaba la temperatura hasta cerca del cero absoluto se producía el condensado y todos esos átomos se comportaban como si fueran uno solo.
Pero hasta ahora no se había conseguido un CBE del típico ejemplo de bosón: con fotones. De hecho se creía que no era posible. Trabajar con fotones es complicado, además de moverse muy rápido, tienen la manía de interaccionar muy fácilmente con la materia. Si se pretende “enfríarlos” normalmente desaparecen antes de conseguirlo. Jan Klärs, Julian Schmitt, Frank Vewinger y Martin Weitz han conseguido esta proheza con un ingenioso sistema.
Un cuerpo a cualquier temperatura emite radiación de cuerpo negro. De este modo cuando calentamos un hierro al rojo emite radiación infrarroja y luz visible de color rojo. El Sol, o un cuerpo a 5800 grados kelvin emite luz principalmente en la gama visible, por eso se nos antoja blanca.
Pero a baja temperatura se va alargando la longitud de onda de los fotones emitidos y éstos son emitidos cada vez en escaso número. Así que este sistema no sirve para crear condensados de fotones.
En este caso se ha solucionado el problema haciendo que los fotones que se introducen en un sistema sean absorbidos y emitidos hasta que adopten la temperatura del medio. Aunque no pueden de momento conseguir un número fijo de fotones en el condensado, su número fluctúa alrededor de un valor medio permitiendo así su caracterización.
El sistema consiste en un recinto en donde hay un medio material limitado por dos espejos paralelos cóncavos separados 1,5 micras entre sí. En el medio hay disuelto un tinte con el que los fotones colisionan frecuentemente, según éstos rebotan en los espejos, y van adquiriendo la temperatura del medio (que está a temperatura ambiente) sin que se pierdan en el proceso. La energía térmica del medio es un 1% de la energía de los fotones.
Para aumentar el número de fotones y reemplazar a los que se pierden en el sistema, los investigadores excitan el medio con un rayo láser. Esto permite concentrar los fotones fríos que se consiguen hasta obtener un condensado que se comporta como un solo “super-fotón”.
En el montaje algunos fotones se escapaban de la cavidad y esto permitía su caracterización en un espectrómetro, consiguiendo así la distribución de energía de los fotones de la cavidad.
A bajas intensidades de láser la cavidad contenía una amplia gama de energías para los fotones, con una energía de corte mínima que correspondía a la energía mínima de la cavidad. Pero una vez se sobrepasaba un umbral de 60.000 fotones dentro de la cavidad se alcanzaba la densidad crítica para tener un condensado y entonces aparecía un pico alto en el espectro. Esto correspondía a que los fotones adoptaban el mismo estado cuántico formando un condensado de Bose-Einstein. Según aumentaban la intensidad del láser de alimentación más y más fotones pasaban a formar parte del condensado hasta que había millones formando el ente cuántico.
Cambiando la separación entre los espejos los investigadores comprobaron que el pico aparecía a la misma densidad de fotones, confirmando así la presencia del condensado.
Pero, ¿no habíamos quedado en que para tener un CBE hay que estar cerca del cero absoluto de temperatura?, ¿cómo es que tenemos un CBE a temperatura ambiente? La cavidad tiene un diseño tal que confina a los fotones bidimensionalmente y como resultado se comportan como si tuvieran una masa efectiva equivalente a la energía de corte de la cavidad. Esta masa es todavía extremadamente pequeña, pero permite a los fotones formar un CBE a temperatura ambiente, no necesitando ser enfriados hasta los microkelvins como en los experimentos con rubidio. Digamos que es un CBE 2D.
Este condensado de fotones representa una nueva forma de luz coherente que quizás pueda ser empleada en la industria tecnológica. Es muy difícil hacer láseres de longitud de onda muy corta como en la gama UV o X y puede que este sistema sí pueda generar luz coherente en esa gama. Esto permitiría grabar microchips con elementos aún más pequeños, pues el tamaño mínimo de los componentes de un chip depende de la longitud de onda empleada en el proceso.
Otro tipo de aplicaciones serían su uso en células solares, pues el bombeo no es necesario que se haga con un láser y la luz solar podría bastar.
Quizás se trate de de un resultado a la búsqueda de una aplicación, como en su día lo fue el láser.