Los físicos de la Universidad de Bonn han demostrado experimentalmente que un importante teorema de la física estadística se aplica a los llamados «condensados de Bose-Einstein». Sus resultados ahora permiten medir ciertas propiedades de las «superpartículas» cuánticas y deducir características del sistema que de otro modo serían difíciles de observar. El estudio ha sido publicado ahora en Cartas de revisión física.
Suponga que frente a usted hay un recipiente lleno de un líquido desconocido. Tu objetivo es averiguar cuánto se mueven las partículas (átomos o moléculas) de un lado a otro al azar debido a su energía térmica. Sin embargo, no tiene un microscopio con el que pueda visualizar estas fluctuaciones de posición conocidas como «movimiento browniano».
Resulta que no necesita eso en absoluto: también puede simplemente atar un objeto a una cuerda y tirar de él a través del líquido. Cuanta más fuerza tengas que aplicar, más viscoso será tu líquido. Y cuanto más viscoso es, menos las partículas en el líquido cambian de posición en promedio. Por lo tanto, la viscosidad a una temperatura dada se puede utilizar para predecir el alcance de las fluctuaciones.
La ley física que describe esta relación fundamental es el teorema de fluctuación-disipación. En palabras simples, establece: cuanto mayor sea la fuerza que necesita aplicar para perturbar un sistema desde el exterior, menos fluctuará aleatoriamente (es decir, estadísticamente) por sí mismo si lo deja solo. «Ahora hemos confirmado por primera vez la validez del teorema para un grupo especial de sistemas cuánticos: los condensados de Bose-Einstein», explica el Dr. Julian Schmitt del Instituto de Física Aplicada de la Universidad de Bonn.
«Súper fotones» hechos de miles de partículas de luz
Los condensados de Bose-Einstein son formas exóticas de materia que pueden surgir debido a un efecto mecánico cuántico: bajo ciertas condiciones, las partículas, ya sean átomos, moléculas o incluso fotones (partículas que constituyen la luz), se vuelven indistinguibles. Muchos cientos o miles de ellos se fusionan en una sola «superpartícula»: el condensado de Bose-Einstein (BEC).
En un líquido a temperatura finita, las moléculas se mueven de un lado a otro al azar. Cuanto más caliente es el líquido, más pronunciadas son estas fluctuaciones térmicas. Los condensados de Bose-Einstein también pueden fluctuar: el número de partículas condensadas varía. Y esta fluctuación también aumenta con el aumento de la temperatura. «Si el teorema de fluctuación-disipación se aplica a los BEC, cuanto mayor sea la fluctuación en su número de partículas, con mayor sensibilidad deberían responder a una perturbación externa», subraya Schmitt. «Desafortunadamente, el número de fluctuaciones en los BEC generalmente estudiados en gases atómicos ultrafríos es demasiado pequeño para probar esta relación».
Sin embargo, el grupo de investigación del Prof. Dr. Martin Weitz, dentro del cual Schmitt es un líder de grupo de investigación junior, trabaja con condensados de Bose-Einstein hechos de fotones. Y para este sistema, la limitación no se aplica. “Hacemos que los fotones de nuestros BEC interactúen con moléculas de colorante”, explica el físico, que recientemente ganó un premio muy dotado para jóvenes científicos de la Unión Europea, conocido como ERC Starting Grant. Cuando los fotones interactúan con las moléculas de colorante, sucede con frecuencia que una molécula «traga» un fotón. De este modo, el colorante se excita energéticamente. Más tarde puede liberar esta energía de excitación al «escupir» un fotón.
Los fotones de baja energía se tragan con menos frecuencia.
“Debido al contacto con las moléculas de colorante, la cantidad de fotones en nuestros BEC muestra grandes fluctuaciones estadísticas”, dice el físico. Además, los investigadores pueden controlar con precisión la fuerza de esta variación: en el experimento, los fotones quedan atrapados entre dos espejos, donde se reflejan de un lado a otro como si fuera un juego de ping-pong. La distancia entre los espejos se puede variar. Cuanto más grande se vuelve, menor es la energía de los fotones. Dado que es menos probable que los fotones de baja energía exciten una molécula de colorante (por lo que se tragan con menos frecuencia), la cantidad de partículas de luz condensada ahora fluctúa mucho menos.
Los físicos de Bonn ahora investigaron cómo se relaciona el alcance de la fluctuación con la «respuesta» del BEC. Si se cumple el teorema de fluctuación-disipación, esta sensibilidad debería disminuir a medida que disminuye la fluctuación. “De hecho, pudimos confirmar este efecto en nuestros experimentos”, enfatiza Schmitt, quien también es miembro del Área de Investigación Transdisciplinaria (TRA) “Matter” de la Universidad de Bonn y del Cluster of Excellence “ML4Q — Matter y luz para computación cuántica». Al igual que con los líquidos, ahora es posible inferir las propiedades microscópicas de los condensados de Bose-Einstein a partir de parámetros de respuesta macroscópicos que se pueden medir más fácilmente. «Esto abre el camino a nuevas aplicaciones, como la determinación precisa de la temperatura en sistemas fotónicos complejos», dice Schmitt.
Fondos:
El proyecto fue financiado por la German Research Foundation (DFG), como parte del proyecto de la UE «Photons for Quantum Simulation», y el Ministerio Federal Alemán de Asuntos Económicos y Acción Climática (BMWK).
