Crean un 'gas de luz' extremadamente comprimible

Un grupo de científicos han agrupado fotones de tal modo que han conformado una estructura comparable en muchos aspectos a un gas hecho de materia.

Un grupo de  científicos han agrupado fotones de tal modo que han conformado una estructura comparable en muchos aspectos a un gas hecho de materia. El equipo de Julian Schmitt, del Instituto de Física Aplicada (IAP) en la Universidad de Bonn en Alemania, ha demostrado por vez primera este efecto en experimentos.

Si se tapa la salida de una bomba de aire con el dedo, aún es posible empujar el pistón hacia abajo, esto nos indica que Comprimir un poco un gas que está a la presión normal ambiental es algo que requiere poca fuerza; una persona puede hacerlo sin más ayuda que su propia fuerza física.

Ahora bien, si la bomba contuviera agua en lugar de aire, sería esencialmente imposible mover el pistón, incluso con el mayor esfuerzo.  Comprimir un líquido, es algo que requiere muchísima más fuerza y unas condiciones especiales.

Los gases suelen estar formados por átomos o moléculas que se arremolinan más o menos rápidamente en el espacio. Lo mismo ocurre con la luz: sus componentes más pequeños son los fotones.

"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".

Los fotones, las partículas de la luz, se comportan en cierto modo como los átomos o moléculas de un gas. Y estos fotones también pueden ser tratados como un gas, aunque su conducta puede llegar a resultar muy inusual: bajo ciertas condiciones, el gas de fotones puede ser comprimido sin apenas esfuerzo. Hasta ahora, esto era tan solo una teoría no demostrada.

En el caso de los gases de materia, cuanto más denso es un gas, más difícil es de comprimir. Al principio, la fuerza física de una persona basta para comprimir el gas con facilidad, pero llega un momento en que resulta muy difícil comprimir más, incluso aplicando mucha fuerza.

Lo acaecido en los experimentos realizados por el equipo de Schmitt fue inicialmente similar: cuantos más fotones introducían los investigadores en la caja de espejos, más difícil era comprimir el gas de fotones.

Sin embargo, el comportamiento del gas de fotones cambió bruscamente en un momento determinado: En cuanto el gas de fotones superaba una densidad determinada, de repente podía comprimirse mucho más sin apenas resistencia. Este efecto resulta de las reglas de la mecánica cuántica. La razón es que las partículas de luz tienen una “ubicación difusa”. Cuando se acercan mucho entre sí a altas densidades, los fotones empiezan a solaparse.

Lo que ocurre entonces puede describirse como una degeneración cuántica del gas de fotones. Y resulta mucho más fácil comprimir un gas cuando experimenta un estado de degeneración cuántica de este tipo. Si el solapamiento es lo suficientemente fuerte, las partículas de luz se fusionan para formar una especie de superfotón, el equivalente a un condensado de Bose-Einstein en la materia.

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, un 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.

Los resultados obtenidos en este estudio confirman las predicciones de las teorías centrales de la física cuántica. Los hallazgos también podrían señalar el camino hacia nuevos tipos de sensores que pueden medir fuerzas diminutas.

Schmitt y sus colegas exponen los detalles técnicos de sus hallazgos en la revista académica Science, bajo el título “Compressibility and the Equation of State of an Optical Quantum Gas in a Box”.

Referencia:

Dr. Julian Schmitt. et al. Physicists create extremely compressible "gas of light". Institute of Applied Physics at the University of Bonn 2022. DOI: https://doi.org/10.1126/science.abm2543

 

Doctor Fisión

Doctor Fision

Divulgador científico especialista en física y astrofísica, y apasionado de la ciencia en general. Autor del bestseller "El Universo Explicado" y de "La Nueva Carrera Espacial". Tiene más de 3 millones de seguidores en redes sociales.

Continúa leyendo