La circulación de polaritones encuentra un obstáculo en un régimen supersónico (arriba) y superfluido (abajo). Polytechnique Montréal.
Por primera vez, un equipo de físicos ha conseguido crear “luz líquida” a temperatura ambiente. La luz se comporta generalmente como una onda y a veces como una partícula, que siempre viaja en línea recta. Sin embargo, en ciertas condiciones extremas, la luz puede actuar igualmente como un líquido que se cuela entre los objetos.
Anteriores investigaciones habían conseguido este efecto en el pasado, pero sólo a temperaturas próximas al cero absoluto, no a temperatura ambiente, como ha logrado esta investigación utilizando una mezcla de luz y de materia.
Esta mezcla de luz y de materia se ha conseguido con la ayuda de polaritones, que son unas “casi partículas” surgidas del acoplamiento entre una onda luminosa y una onda de polarización eléctrica. Aunque los polaritones no son partículas elementales propiamente dichas, como los fotones o los electrones, se comportan como ellas debido a las reglas de la teoría cuántica.
Esto ha tenido como consecuencia forzar a la luz a comportarse como un líquido cuántico superfluido alrededor de un obstáculo, en vez de difundirse como una onda clásica.
Esta forma extraña de la luz es a la vez un superfluido, sin ninguna viscosidad, y una especie de condensado de Bose-Einstein, descrito a veces como el quinto estado de la materia. Esta materia extraña permite a la luz circular libremente alrededor de los objetos.
En física, el condensado de Bose-Einstein es el estado de la materia que se da en ciertos materiales a temperaturas cercanas al cero absoluto. En este estado, las partículas se desplazan a una velocidad increíblemente lenta y siguen los principios de la mecánica cuántica, más que de la física clásica, ya que empiezan a comportarse como ondas, en vez de partículas, y ocupan una posición en el espacio que no puede ser determinada con precisión.
A temperatura ambiente
Estas ondas se forman a temperaturas próximas al cero absoluto y no existen sino durante unas fracciones de segundo.
“La observación extraordinaria de nuestro trabajo es que hemos demostrado que la superfluidez puede producirse igualmente a temperatura ambiente con la ayuda de polaritones”, asegura Daniele Sanvitto, del Instituto de Nanotecnología de CNR NANOTEC, en Italia, en un comunicado.
Para crear polaritones, los investigadores han construido dispositivo óptico formado por dos espejos, uno enfrente del otro, y recubierto de una delgada película de moléculas orgánicas de sólo 100 nanómetros de espesor (el diámetro de un pelo tiene alrededor de 50.000 nanómetros).
Los científicos han bombardeado el dispositivo con impulsos láser de 35 femtosegundos (un femtosegundo equivale a la milbillonésima parte de un segundo) y de esta forma han obligado a la luz a comportarse como un líquido cuántico superfluido alrededor de un obstáculo, en vez de difundirse como una onda clásica.
De esta forma, hemos podido combinar las propiedades de los fotones (como su masa extremadamente pequeña y su elevada velocidad) con fuertes interacciones en razón de la presencia de electrones en el seno de las moléculas, explica otro miembro del equipo de investigación, Stéphane Kéna-Cohen.
Anteriores investigaciones habían conseguido este efecto en el pasado, pero sólo a temperaturas próximas al cero absoluto, no a temperatura ambiente, como ha logrado esta investigación utilizando una mezcla de luz y de materia.
Esta mezcla de luz y de materia se ha conseguido con la ayuda de polaritones, que son unas “casi partículas” surgidas del acoplamiento entre una onda luminosa y una onda de polarización eléctrica. Aunque los polaritones no son partículas elementales propiamente dichas, como los fotones o los electrones, se comportan como ellas debido a las reglas de la teoría cuántica.
Esto ha tenido como consecuencia forzar a la luz a comportarse como un líquido cuántico superfluido alrededor de un obstáculo, en vez de difundirse como una onda clásica.
Esta forma extraña de la luz es a la vez un superfluido, sin ninguna viscosidad, y una especie de condensado de Bose-Einstein, descrito a veces como el quinto estado de la materia. Esta materia extraña permite a la luz circular libremente alrededor de los objetos.
En física, el condensado de Bose-Einstein es el estado de la materia que se da en ciertos materiales a temperaturas cercanas al cero absoluto. En este estado, las partículas se desplazan a una velocidad increíblemente lenta y siguen los principios de la mecánica cuántica, más que de la física clásica, ya que empiezan a comportarse como ondas, en vez de partículas, y ocupan una posición en el espacio que no puede ser determinada con precisión.
A temperatura ambiente
Estas ondas se forman a temperaturas próximas al cero absoluto y no existen sino durante unas fracciones de segundo.
“La observación extraordinaria de nuestro trabajo es que hemos demostrado que la superfluidez puede producirse igualmente a temperatura ambiente con la ayuda de polaritones”, asegura Daniele Sanvitto, del Instituto de Nanotecnología de CNR NANOTEC, en Italia, en un comunicado.
Para crear polaritones, los investigadores han construido dispositivo óptico formado por dos espejos, uno enfrente del otro, y recubierto de una delgada película de moléculas orgánicas de sólo 100 nanómetros de espesor (el diámetro de un pelo tiene alrededor de 50.000 nanómetros).
Los científicos han bombardeado el dispositivo con impulsos láser de 35 femtosegundos (un femtosegundo equivale a la milbillonésima parte de un segundo) y de esta forma han obligado a la luz a comportarse como un líquido cuántico superfluido alrededor de un obstáculo, en vez de difundirse como una onda clásica.
De esta forma, hemos podido combinar las propiedades de los fotones (como su masa extremadamente pequeña y su elevada velocidad) con fuertes interacciones en razón de la presencia de electrones en el seno de las moléculas, explica otro miembro del equipo de investigación, Stéphane Kéna-Cohen.
Propiedades sorprendentes
El superfluido resultante posee algunas propiedades sorprendentes. En condiciones normales, cuando un líquido se derrama, crea ondulaciones y torbellinos. Pero en el caso de un superfluido no es así, ya que la turbulencia es suprimida alrededor de los obstáculos, lo que permite al fluido seguir su camino sin alteración, añade Kéna-Cohen.
Los investigadores sugieren que este resultado abre la vía no sólo a nuevos estudios en hidrodinámica cuántica, sino también a dispositivos con polaritones a temperatura ambiente para el desarrollo futuro de tecnologías avanzadas, como la producción de materiales supra-conductores para aparatos como los LEDs, paneles solares y láseres. No descartan tampoco la creación en el futuro de ordenadores basados en polaritones.
El hecho de que este efecto pueda ser observado a temperatura ambiente aporta numerosas oportunidades a nuevas investigaciones, no sólo para estudiar los fenómenos fundamentales vinculados a los condensados de Bose-Einstein, sino también con la finalidad de concebir y crear futuros dispositivos a base de superfluidos fotónicos, en los que las pérdidas de energía se suprimen completamente, así como explotar nuevos fenómenos inesperados, concluyen los investigadores.
El superfluido resultante posee algunas propiedades sorprendentes. En condiciones normales, cuando un líquido se derrama, crea ondulaciones y torbellinos. Pero en el caso de un superfluido no es así, ya que la turbulencia es suprimida alrededor de los obstáculos, lo que permite al fluido seguir su camino sin alteración, añade Kéna-Cohen.
Los investigadores sugieren que este resultado abre la vía no sólo a nuevos estudios en hidrodinámica cuántica, sino también a dispositivos con polaritones a temperatura ambiente para el desarrollo futuro de tecnologías avanzadas, como la producción de materiales supra-conductores para aparatos como los LEDs, paneles solares y láseres. No descartan tampoco la creación en el futuro de ordenadores basados en polaritones.
El hecho de que este efecto pueda ser observado a temperatura ambiente aporta numerosas oportunidades a nuevas investigaciones, no sólo para estudiar los fenómenos fundamentales vinculados a los condensados de Bose-Einstein, sino también con la finalidad de concebir y crear futuros dispositivos a base de superfluidos fotónicos, en los que las pérdidas de energía se suprimen completamente, así como explotar nuevos fenómenos inesperados, concluyen los investigadores.
Referencia
Room-temperature superfluidity in a polariton condensate. Nature Physics (2017) doi:10.1038/nphys4147
Room-temperature superfluidity in a polariton condensate. Nature Physics (2017) doi:10.1038/nphys4147