Crean un gas hecho de luz con llamativas propiedades cuánticas

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

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. En cambio, comprimir un líquido, como por ejemplo agua, 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, 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.

El equipo de Julian Schmitt, del Instituto de Física Aplicada (IAP) en la Universidad de Bonn en Alemania, ha demostrado ahora por vez primera este efecto en experimentos. Para ello, Schmitt y sus colegas almacenaron partículas de luz en una pequeña caja hecha de espejos. Cuantos más fotones ponían allí, más denso se volvía el gas de fotones.

Microrresonador óptico, la pieza clave de la caja de fotones. (Foto: Volker Lannert / University of Bonn)

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.

En el futuro, la compresibilidad cuántica del gas de fotones permitirá investigar nuevos sensores que podrían medir fuerzas diminutas. Además de las perspectivas tecnológicas, los resultados son también de gran interés para la investigación fundamental en física.

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”. (Fuente: NCYT de Amazings)