Los físicos están monitoreando una nueva fase en el condensado de Bose-Einstein para partículas ligeras

Un solo «superfotón» que consta de muchos miles de partículas de luz individuales: hace unos diez años, los investigadores de la Universidad de Bonn produjeron un estado total tan extremo por primera vez y presentaron una fuente de luz completamente nueva. La condición se llama condensación óptica de Bose-Einstein y ha cautivado a muchos físicos desde entonces, porque este extraño mundo de partículas de luz alberga sus propios fenómenos físicos.

Los investigadores dirigidos por el profesor Martin Weitz, que descubrió el super fotón, y el físico teórico profesor Johan Kroha de su última «expedición» regresaron al mundo cuántico con una nota muy especial. Informaron de una nueva transición de fase desconocida previamente en el condensador óptico Bose-Einstein. Esta es la denominada fase de sobre-amortiguación. Los resultados pueden ser relevantes a largo plazo para la comunicación cuántica codificada. El estudio ha sido publicado en la revista Ciencia.

Los capacitores Bose-Einstein son una condición física extrema que generalmente ocurre a temperaturas muy bajas. Lo que es especial: las partículas de este sistema ya no son identificables y a menudo se encuentran en el mismo estado mecánico cuántico, en otras palabras, se comportan como una única «superpartícula» gigante. Entonces, el caso puede describirse mediante una sola función de onda.

En 2010, los investigadores dirigidos por Martin Weitz lograron por primera vez crear un condensador 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 ligeramente por encima de un micrómetro que refleja un haz de luz de frecuencia rápida. El espacio se llena con una solución de tinte líquido, que enfría los fotones. Esto se hace «tragando» las moléculas de tinte de los fotones y luego escupiéndolas nuevamente, haciendo que las partículas de luz alcancen la temperatura de la solución de tinte, alrededor de la temperatura ambiente. ANTECEDENTES: El sistema permite que las partículas de luz se enfríen en primer lugar, ya que sus propiedades naturales son fundirse al enfriarse.

A la derecha hay un objetivo de microscopio que se usa para observar y analizar la luz que sale del resonador. Crédito: © Gregor Hübl / Uni Bonn

Separación clara de dos etapas

La transición de fase es lo que los físicos llaman la transición entre el agua y el hielo durante la congelación. Pero, ¿cómo ocurre una transición de fase específica dentro de un sistema de partículas de luz atrapadas? Los científicos lo explican de esta manera: los espejos translúcidos hasta cierto punto hacen que los fotones se pierdan y se reemplacen, creando un desequilibrio que hace que el sistema no asuma una temperatura específica y se ponga en oscilación. Esto crea una transición entre esta fase oscilatoria y la fase inhibitoria. Amortiguación significa que la amplitud de la vibración está disminuyendo.

«La fase de hiperamortiguamiento que observamos corresponde a un nuevo estado del campo de luz, por así decirlo», dice el autor principal Fahri Emre Ozturk, estudiante de doctorado en el Instituto de Física Aplicada de la Universidad de Bonn. La característica especial es que el efecto láser suele ser inseparable del efecto de un condensador Bose-Einstein mediante una transición de fase, y no hay límites claramente definidos entre los dos estados. Esto significa que los físicos pueden ir y venir constantemente entre los efectos.

Con preparación visual en la mesa de medición del Instituto de Física Aplicada de la Universidad de Bonn. Crédito: © Gregor Hübl / Uni Bonn

El líder del estudio, el profesor Martin Weitz, dice: «No obstante, según nuestra experiencia, el estado de sobreamortiguación de la condensación óptica de Bose-Einstein está separado por la transición de fase tanto del estado de oscilación como del láser estándar». “Esto indica la presencia de un capacitor Bose-Einstein, que en realidad es un caso diferente al de un láser estándar”. En otras palabras, estamos tratando con dos fases separadas de un capacitor óptico Bose-Einstein, afirma.

Los investigadores planean usar sus hallazgos como base para estudios adicionales para buscar nuevos estados del campo de luz en muchos capacitores ópticos duales, lo que también podría ocurrir en el sistema. “Si ocurren estados apropiados de entrelazamiento mecánico cuántico en los capacitores de luz emparejados, esto podría ser interesante para transmitir mensajes codificados cuánticamente entre múltiples participantes”, dice Fahriy Emre Ozturk.

Prof. Dr. Martin Weitz, Dr. Julian Schmidt, Dr. Frank Feuinger, Prof. Dr. Johan Kroha y Joran Heilmann del Instituto de Física Aplicada de la Universidad de Bonn. Crédito: © Gregor Hübl / Uni Bonn

Referencia: «Observación de una transición de fase no ermitaña en un gas cuántico óptico» por Fahri Emre Ozturk, Tim Lappe, Goran Hillman, Julian Schmidt, Jean Claire’s, Frank Voyinger, Johan Kroha, Martin Weitz, 2 de abril de 2021, Ciencia.
DOI: 10.1126 / science.abe9869

El estudio recibió financiación del Centro de Investigación Cooperativa TR 185 «OSCAR – Control de Materia Cuántica Atómica y Fotónica por Acoplamiento Ad Hoc a Reservorios» de las universidades de Kaiserslautern y Bonn, el Grupo de Excelencia ML4Q de las Universidades de Colonia, Aquisgrán y Bonn y el Centro de Investigación de Jülich con financiación de la Fundación de Investigación Alemana. Se incluye el Paquete de excelencia en investigación interdisciplinaria (TRA) «Componentes básicos de la materia e interacciones fundamentales» de la Universidad de Bonn. Además, el estudio fue financiado por la Unión Europea dentro del proyecto «PhoQuS – Quantum Simulation Photons» y el Centro Espacial Alemán con financiación del Ministerio Federal de Economía y Energía.