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Científicos crean el primer condensado Bose–Einstein de fotones
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El primer condensado Bose-Einstein de fotones podría ayudar a construir células solares y lásers. La difusa línea divisoria entre luz y átomos ha quedado aún más emborronada. Físicos cuánticos han creado el primero condensado Bose-Einstein usando fotones - una hazaña que hasta ahora sólo se creía que era posible para los átomos. La técnica podría usarse para incrementar la eficiencia de las células solares y lásers.
Los condensados Bose-Einstein (BECs) son una extraña fase cuántica de la materia. Se propusieron por primera vez en la década de 1920 por parte de Satyendra Nath Bose y Albert Einstein, quienes razonaron que, si ciertos átomos eran enfriados a una fracción del cero absoluto, los efectos cuánticos deberían tomar el mando. Como resultado, todos los átomos quedarían compactados en el mismo estado cuántico, por lo que "marcharían al paso", comportándose colectivamente como si fuesen un súper-átomo, explica el físico cuántico Martin Weitz de la Universidad de Bonn en Alemania.
n 1995, dos grupos experimentales produjeron independientemente los primeros ejemplos de BECs con átomos de rubidio y sodio1,2. En teoría, los físicos sabían que debería también ser posible formar un BEC con partículas de luz, o fotones. Pero en la práctica parecía casi imposible, debido a que, al contrario que los átomos, el número de fotones en un experimento no se conservaba. Esto significa que cuando intentas enfriar los fotones, desaparecen del experimento, quedando absorbidos por los átomos de alrededor en el ******o, dice Weitz. "Si intentas enfriar una bombilla, se apaga - la luz simplemente desaparece - y ese es el gran problema", explica.
Trampa de luz Ahora Weitz y sus colegas han encontrado una forma de mantener la luz el tiempo suficiente para crear un BEC de fotones - los detalles de la técnica se publican hoy en Nature3. Para evitar que los fotones sin masa escapen, el equipo los atrapa en una cavidad entre espejos curvados. Los espejos restringen el modo en que los fotones podrían moverse y vibrar - forzándolos a comportarse como si fuesen átomos con una masa 10 000 millones de veces menor que la del átomo de rubidio.
Para construir un BEC estándar, los átomos deben colisionar usualmente entre sí, para igualar su temperatura. Pero los fotones, incluso aquellos con una 'masa' ligera, interactúan demasiado débilmente para esto. Por lo que el equipo añadió moléculas marcadas a la cavidad; estas absorbían y re-emitían los fotones, ayudándoles a alcanzar el equilibrio térmico. "La magia de la formación del BEC sucede cuando bombeas más y más fotones a la cavidad hasta que, de pronto, no pueden entrar más en este equilibrio térmico, por lo que se condensan", comenta Weitz. Estos fotones extra pasan por una transición cuántica, cayendo al mismo estado de baja energía y formando un BEC.
El equipo podía decir cuándo había ocurrido la transición de fase debido a que el pequeño número de fotones en el BEC formaba un intenso haz de luz amarilla - como un láser - en el centro de la cavidad, rodeado por un 'gas' de fotones que permanecían normales. Para hacer un chequeo cruzado de que lo que estaban viendo era una un BEC de luz, los investigadores repitieron el experimento con un número distinto de fotones. En cada caso, una vez que había tenido lugar la transición de fase, midieron el espectro de la luz que se filtraba desde la cavidad y encontraron que encajaba con las predicciones teóricas para el BEC correspondiente.
Diferencia fundamental Wolfgang Ketterle del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) en Cambridge - que ganó de forma compartida el premio Nobel de Física en 2001 por liderar uno de los grupos que generó en primer BEC con átomos - describe el trabajo como "un trozo espectacular de física" que elimina una distinción más entre átomos y luz. "Cuando doy charlas sobre los condensados Bose-Einstein, a menudo hablo de por qué no pueden hacerse usando fotones, para destacar esta diferencia fundamental entre fotones y átomos - pero ahora, esa diferencia ha desaparecido", comenta.
Matthias Weidemüller, físico cuántico de la Universidad de Freiberg en Alemania, dice que la idea tras el experimento es "realmente ingeniosa" a la vez que, irónicamente, llevarla a cabo es relativamente fácil. "En comparación con la condensación Bose-Einstein de átomos ultra-fríos, el experimento actual es ridículamente simple", señala.
La técnica podría algún día tener aplicaciones prácticas para recopilar y focalizar la luz solar, dice Weidemüller. Mientras que una lente común puede concentrar la luz solar en células solares durante un día claro, la técnica BEC tiene la ventaja de que podría recolectar la luz dispersada en todas direcciones incluso en un día nuboso, comenta. Los BECs de fotones podrían también proporcionar una forma alternativa de generar haces láser, dice Ketterle. "Es demasiado pronto para decir cómo de competitivas podrían ser las aplicaciones, pero deberían explorarse", añade.
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