Los investigadores crearon un gas unidimensional a partir de la luz.

Físicos de la Universidad de Bonn y de la Universidad de Kaiserslautern-Landau (RPTU) han creado un gas unidimensional a partir de la luz. Esto les permitió comprobar por primera vez predicciones teóricas sobre la transición a este inusual estado de la materia. El método utilizado por los investigadores en el experimento se puede utilizar para probar efectos cuantitativos. Los resultados se publican La física de la naturaleza..

Imagina que estás parado en una piscina y se te ocurre la idea de llenarla con aún más agua. Agarras una manguera de jardín y la usas para crear un chorro de agua que se curva formando un arco pronunciado para caer sobre la superficie de la piscina. El nivel del agua sube ligeramente en el punto donde el chorro de agua golpea el estanque, pero este cambio en el nivel del agua es muy pequeño porque el agua que cae se distribuye muy rápidamente por toda la masa de agua.

Sin embargo, el efecto es diferente si llenas un canalón con agua de tu jardín. El chorro crea ondas de agua en el punto donde apuntas la manguera. Por este motivo, las paredes del canalón garantizan que el agua no pueda salir a ningún nivel, sino que solo pueda distribuirse en dirección al canalón. Cuanto más estrecho es el canal, mayor es la amplitud de la onda y, por tanto, «más unidireccional».

Físicos del Instituto de Física Aplicada (IAP) de la Universidad de Bonn, en colaboración con colegas de la RPTU, han investigado si se pueden lograr efectos de amplitud similares con gases compuestos de partículas ligeras.

«Para crear este tipo de gases, necesitamos concentrar muchos fotones en un espacio reducido y al mismo tiempo enfriarlos», explica el Dr. A, miembro del Área de Investigación «Meter». de hueso

Canalones microscópicamente pequeños

En su experimento, los investigadores llenaron un pequeño recipiente con una solución de tinte y lo excitaron con un láser. Las fotografías resultantes rebotaban entre las paredes reflectantes del contenedor. Cada vez que chocan con una molécula de tinte, se enfrían hasta que finalmente el gas fotónico se condensa.

La dimensionalidad del gas puede afectar la superficie de giro de la superficie reflectante. Los investigadores del IAP colaboraron en este estudio con el grupo de investigación dirigido por el Prof. Dr. Georg von Freimann de RPTU. Se adoptó un método estructural de alta resolución para poder aplicarlo a las superficies reflectantes del contenedor de fotones para este experimento.

«Hemos podido aplicar un polímero transparente a superficies reflectantes para producir protuberancias microscópicamente pequeñas», explica Julian Schulz de la RPTU. «Estas protuberancias nos permiten atrapar fotones en una o dos dimensiones y condensarlos».

«Estos polímeros actúan como una especie de canalón, pero en este caso para la luz», afirma Kirankumar Kurkehali Umesh, autor principal del estudio. «Cuanto más estrecha es la canaleta, más en un solo sentido se mueve el gas».

La transferencia de calor elimina el punto de condensación.

En dos dimensiones, existe un rango de temperatura específico en el que se produce la condensación, similar a cómo se congela el agua a cero grados Celsius. Los físicos lo llaman transición de fase. «Sin embargo, las cosas son ligeramente diferentes cuando creamos un gas unidimensional en lugar de uno bidimensional», dice Vewinger.

«En los gases fotónicos se producen las llamadas fluctuaciones térmicas, pero son tan pequeñas en dos dimensiones que no tienen ningún efecto real. Sin embargo, en una dimensión, estas fluctuaciones son, en sentido figurado, enormes. Pueden producir ondas».

Estas fluctuaciones destruyen el orden del sistema unidimensional, de modo que las diferentes regiones del gas ya no son idénticas. Como resultado, la transición de fase, que todavía está claramente definida en dos dimensiones, se «borra» cada vez más hasta convertirse en un sistema más unidimensional.

Sin embargo, sus propiedades todavía están regidas por la física cuántica, como en el caso de los gases bidimensionales, y este tipo de gases se denominan gases cuánticos degenerados. Es como si el agua se convirtiera en agua helada a bajas temperaturas, sin llegar a congelarse por completo cuando se enfría.

«Ahora hemos podido investigar por primera vez este comportamiento en una transición de gas fotónico bidimensional a unidimensional», explica Vewinger.

El grupo de investigación pudo demostrar que los gases fotónicos unidimensionales en realidad no tienen verdaderos puntos de condensación. Al realizar pequeños cambios en la estructura del polímero, ahora será posible investigar con gran detalle los fenómenos que ocurren en la transición entre diferentes dimensiones.

Por el momento todavía se considera investigación básica, pero es posible que abra nuevas áreas de aplicación para los efectos ópticos cuánticos.