Desentrañando la conducta de los superfotones

Miles de partículas de luz (fotones) pueden agruparse en una especie de “superfotón” cuando se dan las condiciones apropiadas para ello.

Si muchos átomos se enfrían a una temperatura muy baja confinados en un pequeño volumen, pueden llegar a ser indistinguibles uno de otro y a comportarse como una única “superpartícula”. A este estado se le conoce como “condensado de Bose-Einstein” o gas cuántico.

Los fotones pueden agruparse en un superfotón siguiendo un proceso similar. En física, a ese estado se le denomina “condensado de Bose-Einstein fotónico”.

En un nuevo estudio, se ha profundizado en la naturaleza de este estado exótico.

El estudio lo ha realizado un equipo integrado, entre otros, por Alexander Sazhin y Julian Schmitt, de la Universidad de Bonn en Alemania, Andris Erglis, de la Universidad Albert-Ludwig de Friburgo en Alemania y Vladimir N. Gladilin, de la Universidad de Amberes en Bélgica.

Para agrupar fotones en un superfotón, se “enfría” a los fotones utilizando moléculas de colorante. Estas moléculas actúan como pequeños refrigeradores y se tragan las partículas de luz “calientes” para luego escupirlas “frías”.

“En nuestros experimentos llenamos un recipiente diminuto con una solución de colorante”, explica Schmitt, del Instituto de Física Aplicada de la Universidad de Bonn. “Las paredes del recipiente eran muy reflectantes”. A continuación, los investigadores excitaron las moléculas de colorante con un láser. Esto produjo fotones que rebotaban entre las superficies reflectantes. A medida que las partículas de luz colisionaban repetidamente con las moléculas de colorante, se “enfriaban” y finalmente se condensaban en un gas cuántico.

Sin embargo, este proceso continúa después, y las partículas del superfotón chocan repetidamente con las moléculas de colorante, siendo engullidas antes de ser escupidas de nuevo. Por tanto, el gas cuántico contiene a veces más fotones y a veces menos fotones, lo que hace que su luminosidad varíe como la de una vela.

Los autores del estudio se valieron de esta inestabilidad para investigar un rasgo de conducta importante de los sistemas de gas cuántico.

Siguiendo una analogía sencilla, supongamos que el superfotón es una hoguera de la cual brotan a veces, de manera esencialmente aleatoria, llamas más grandes que las demás. Después de que la hoguera alcance esa intensidad más grande de lo normal, el fuego se apacigua y vuelve a su estado original. También se puede aumentar intencionadamente la intensidad del fuego arrojando, por ejemplo, un chorro de aire contra las brasas, mediante un fuelle o soplando. A efectos prácticos, en este último caso el fuego vuelve a menguar de la misma manera que si la llamarada extra se hubiera producido al azar.

Los autores del estudio se propusieron averiguar si este comportamiento también se aplica a los condensados de Bose-Einstein fotónicos.

Para ello, los investigadores midieron primero el “parpadeo” de los superfotones para cuantificar las fluctuaciones estadísticas. A continuación, echaron leña al fuego, en sentido figurado. Lo hicieron disparando brevemente otro láser al superfotón. Esta perturbación generó una “llamarada” breve y después el superfotón volvió a su estado inicial.

Recreación artística conceptual de un condensado fotónico de Bose-Einstein (amarillo) en un baño de moléculas de colorante (rojo) que ha sido perturbado por una fuente de luz externa (destello blanco). (Imagen: A. Erglis / Albert-Ludwigs University of Freiburg)

Lo observado demuestra, por tanto, que la respuesta a esa perturbación provocada sigue la misma dinámica que las fluctuaciones aleatorias que aparecen sin ser provocadas por una perturbación introducida en el sistema.

El estudio se titula “Observation of nonlinear response and Onsager regression in a photon Bose-Einstein condensate”. Y se ha publicado en la revista académica Nature Communications. (Fuente: NCYT de Amazings)