El logro allana el camino para futuros avances tecnológicos, tales como microláseres de polaritones fabricados con materiales orgánicos de bajo coste. Imagen: Steve Jurvetson. Fuente: Flickr.
Por primera vez, se ha demostrado el comportamiento ondulatorio de un polaritón (un tipo de cuasipartícula) condensado a temperatura ambiente, en laboratorio y a una escala de longitud macroscópica.
Este avance significativo en la comprensión y la manipulación de objetos cuánticos ha sido el resultado de una colaboración entre el profesor Stéphane Kena-Cohen de la Politécnica de Montreal y los invetigadores Stefan Maier y Konstantinos Daskalakis, del Imperial College de Londres, informa la Politécnica de Montreal en un comunicado. El trabajo ha aparecido publicado en la revista Physical Review Letters.
Objetos cuánticos visibles al ojo desnudo
La mecánica cuántica nos dice que los objetos cuánticos exhiben no solo un comportamiento similar a las de las partículas, sino también un comportamiento ondulatorio con una longitud de onda inversamente proporcional a la velocidad del objeto.
Normalmente, este comportamiento solo puede ser observado a escalas de longitud atómicas, pero hay una excepción importante: con los bosones, que son partículas que se pueden combinar en gran número en el mismo estado cuántico, por lo que con ellas es posible formar objetos cuánticos a escala macroscópica (los llamados condensados de Bose-Einstein).
Estos condensados se encuentran en la raíz de algunos de los fenómenos más fascinantes de la física cuántica, como la superfluidez y la superconductividad. Su importancia científica es tan grande que su creación, casi 70 años después de que su existencia fuera teorizada, le mereció el Premio Nobel de Física en 2001 a los investigadores Eric Cornell, Wolfgang Ketterle y Carl Wieman .
Este avance significativo en la comprensión y la manipulación de objetos cuánticos ha sido el resultado de una colaboración entre el profesor Stéphane Kena-Cohen de la Politécnica de Montreal y los invetigadores Stefan Maier y Konstantinos Daskalakis, del Imperial College de Londres, informa la Politécnica de Montreal en un comunicado. El trabajo ha aparecido publicado en la revista Physical Review Letters.
Objetos cuánticos visibles al ojo desnudo
La mecánica cuántica nos dice que los objetos cuánticos exhiben no solo un comportamiento similar a las de las partículas, sino también un comportamiento ondulatorio con una longitud de onda inversamente proporcional a la velocidad del objeto.
Normalmente, este comportamiento solo puede ser observado a escalas de longitud atómicas, pero hay una excepción importante: con los bosones, que son partículas que se pueden combinar en gran número en el mismo estado cuántico, por lo que con ellas es posible formar objetos cuánticos a escala macroscópica (los llamados condensados de Bose-Einstein).
Estos condensados se encuentran en la raíz de algunos de los fenómenos más fascinantes de la física cuántica, como la superfluidez y la superconductividad. Su importancia científica es tan grande que su creación, casi 70 años después de que su existencia fuera teorizada, le mereció el Premio Nobel de Física en 2001 a los investigadores Eric Cornell, Wolfgang Ketterle y Carl Wieman .
Una trampa para cuasipartículas
Llevar a partículas a un mismo estado para obtener un condensado Bose-Einstein requiere normalmente una reducción de la temperatura a un nivel cercano al cero absoluto (-273ºC) , una condición que es alcanzable solamente con técnicas de laboratorio y complejos y costosos equipos de criogenización.
"A diferencia de los trabajos realizados hasta la fecha, en los que se han utilizado principalmente gases atómicos ultrafríos, nuestra investigación permite realizar estudios integrales de condensación con sistemas materiales condensados en condiciones ambientales", explica Daskalakis. Añade que este es un paso clave hacia la realización de proyectos de física que actualmente se encuentran en un estadio puramente teórico.
Para producir el condensado a temperatura ambiente, el equipo creó un dispositivo que hace posible la existencia de los polaritones, que son cuasipartículas híbridas, en parte luz en parte materia.
El dispositivo está formado por una película de moléculas orgánicas de 100 nanómetros de espesor, confinada entre dos espejos casi perfectos. El condensado se creó inicialmente excitando un número suficiente de polaritones con un láser. Luego fue observado a través de la luz azul que emitía. Sus dimensiones pueden ser comparables a las de un cabello humano, un tamaño gigantesco a escala cuántica.
"Hasta la fecha, en la mayoría de los experimentos con polaritones se han utilizado semiconductores cristalinos ultrapuros", explica Kena-Cohen. "Nuestro trabajo demuestra que es posible obtener un comportamiento cuántico comparable utilizando materiales 'impuros' y desordenados, como las moléculas orgánicas. Esto tiene la ventaja de permitir una fabricación mucho más simple y de menor costo".
Tamaño y aplicaciones
Además de observar directamente el comportamiento ondulatorio del polaritón orgánico condensado, el experimento mostró que el tamaño de dicho condensado no podía exceder de aproximadamente 100 micrómetros. Más allá de este límite, empezaba a destruirse a sí mismo, a fragmentarse y a generar vórtices.
En un condensado, todos los polaritones se comportan de la misma manera, al igual que los fotones en un láser. El estudio de los condensados a temperatura ambiente allana el camino para futuros avances tecnológicos, tales como microláseres de polaritones fabricados con materiales orgánicos de bajo coste, que además serían más eficientes y requerirían menor energía de activación que los láseres convencionales. Otra aplicación posible sería el desarrollo de potentes transistores totalmente alimentados con luz.
Según el profesor Maier, el avance además resultará útil para el estudio de cuestiones fundamentales de la mecánica cuántica. "Está relacionado con numerosos aspectos modernos y fascinantes del problema de los muchos cuerpos (vasta categoría de problemas físicos entre los que se encuentran los condensados Bose-Einstein y la superfluidez), que también intrigan al público general", señala.
Kena-Cohen concluye: "Un aspecto fascinante, por ejemplo, es la extraordinaria transición entre el estado de partículas no condensadas y la formación de un condensado. A pequeña escala, la física de esta transición se parece a un paso importante en la formación del Universo, tras el Big Bang".
Llevar a partículas a un mismo estado para obtener un condensado Bose-Einstein requiere normalmente una reducción de la temperatura a un nivel cercano al cero absoluto (-273ºC) , una condición que es alcanzable solamente con técnicas de laboratorio y complejos y costosos equipos de criogenización.
"A diferencia de los trabajos realizados hasta la fecha, en los que se han utilizado principalmente gases atómicos ultrafríos, nuestra investigación permite realizar estudios integrales de condensación con sistemas materiales condensados en condiciones ambientales", explica Daskalakis. Añade que este es un paso clave hacia la realización de proyectos de física que actualmente se encuentran en un estadio puramente teórico.
Para producir el condensado a temperatura ambiente, el equipo creó un dispositivo que hace posible la existencia de los polaritones, que son cuasipartículas híbridas, en parte luz en parte materia.
El dispositivo está formado por una película de moléculas orgánicas de 100 nanómetros de espesor, confinada entre dos espejos casi perfectos. El condensado se creó inicialmente excitando un número suficiente de polaritones con un láser. Luego fue observado a través de la luz azul que emitía. Sus dimensiones pueden ser comparables a las de un cabello humano, un tamaño gigantesco a escala cuántica.
"Hasta la fecha, en la mayoría de los experimentos con polaritones se han utilizado semiconductores cristalinos ultrapuros", explica Kena-Cohen. "Nuestro trabajo demuestra que es posible obtener un comportamiento cuántico comparable utilizando materiales 'impuros' y desordenados, como las moléculas orgánicas. Esto tiene la ventaja de permitir una fabricación mucho más simple y de menor costo".
Tamaño y aplicaciones
Además de observar directamente el comportamiento ondulatorio del polaritón orgánico condensado, el experimento mostró que el tamaño de dicho condensado no podía exceder de aproximadamente 100 micrómetros. Más allá de este límite, empezaba a destruirse a sí mismo, a fragmentarse y a generar vórtices.
En un condensado, todos los polaritones se comportan de la misma manera, al igual que los fotones en un láser. El estudio de los condensados a temperatura ambiente allana el camino para futuros avances tecnológicos, tales como microláseres de polaritones fabricados con materiales orgánicos de bajo coste, que además serían más eficientes y requerirían menor energía de activación que los láseres convencionales. Otra aplicación posible sería el desarrollo de potentes transistores totalmente alimentados con luz.
Según el profesor Maier, el avance además resultará útil para el estudio de cuestiones fundamentales de la mecánica cuántica. "Está relacionado con numerosos aspectos modernos y fascinantes del problema de los muchos cuerpos (vasta categoría de problemas físicos entre los que se encuentran los condensados Bose-Einstein y la superfluidez), que también intrigan al público general", señala.
Kena-Cohen concluye: "Un aspecto fascinante, por ejemplo, es la extraordinaria transición entre el estado de partículas no condensadas y la formación de un condensado. A pequeña escala, la física de esta transición se parece a un paso importante en la formación del Universo, tras el Big Bang".
Referencia bibliográfica:
K. S. Daskalakis, S. A. Maier, S. Kéna-Cohen. Spatial Coherence and Stability in a Disordered Organic Polariton Condensate. Physical Review Letters (2015). DOI: 10.1103/PhysRevLett.115.035301.
K. S. Daskalakis, S. A. Maier, S. Kéna-Cohen. Spatial Coherence and Stability in a Disordered Organic Polariton Condensate. Physical Review Letters (2015). DOI: 10.1103/PhysRevLett.115.035301.