Nombre comercial registrado del sensor óptico de partículas
El gas suele estar compuesto por átomos o moléculas que giran a gran velocidad en el espacio y se comprime fácilmente. La luz y el gas son muy similares. El componente más pequeño de la luz es el fotón (es decir, el fotón). Si bien los fotones se comportan como partículas en algunos aspectos, también se puede considerar que son un gas inusual. Anteriormente, los científicos predijeron teóricamente que, bajo determinadas condiciones, los humanos podrían comprimir gas cuántico ligero sin esfuerzo.
Esta vez, un equipo de investigación dirigido por el profesor Martin Weitz del Instituto de Física Aplicada (IAP) de la Universidad de Bonn demostró por primera vez la predicción teórica anterior en experimentos y desarrolló un método que puede ser Gas cuántico ligero extremadamente comprimido. Este resultado revela la formación de condensados de Bose-Einstein altamente comprimibles. Los condensados de Bose-Einstein son los estados gaseoso y superfluido en los que los átomos de bosones se enfrían hasta casi el cero absoluto. Los resultados fueron publicados en la revista Science.
"Para ello almacenamos los fotones en una pequeña caja hecha de espejos", explica el investigador principal Julian Schmidt. "Cuantos más fotones ponemos, más denso se vuelve el gas fotónico".
En términos generales, cuanto más denso es el gas, más difícil es comprimirlo. Al principio, a medida que los investigadores pusieron más fotones en la caja del espejo, la compresión del gas se volvió más difícil. Pero en algún momento, las cosas cambiaron repentinamente: una vez que el gas fotónico superó una cierta densidad, los investigadores pudieron comprimirlo sin esfuerzo.
"Este efecto proviene de las reglas de la mecánica cuántica". Schmidt dijo que las partículas de luz mostrarán una especie de "borrosidad", es decir, la posición del fotón se irá volviendo borrosa gradualmente. Cuando los fotones se acercan mucho entre sí a altas densidades, comienzan a superponerse, lo que facilita la compresión de un gas cuántico degenerado.
Si la superposición es lo suficientemente grande, los fotones se fusionarán para formar un superfotón, un condensado de Bose-Einstein. Este proceso se puede comparar con la congelación del agua: en estado líquido, las moléculas de agua están desordenadas. Pero a temperaturas bajo cero, se forman cristales de hielo y eventualmente se fusionan en una capa de hielo en expansión y altamente ordenada. La "Islandia ordenada" se formó justo antes de que se formara el condensado de Bose-Einstein. A medida que el número de fotones aumente, se hará cada vez más grande. La materia condensada se forma sólo cuando estas "islas de hielo" se extienden de manera ordenada a lo largo de toda la caja de espejos que contiene fotones. Es como un lago donde los témpanos de hielo individuales eventualmente se unen para formar una superficie de hielo unificada.
Para crear un gas con un número variable de partículas y una temperatura determinada, el equipo utilizó un método de "baño caliente": colocar moléculas en una caja de espejos para absorber fotones. Luego, la molécula emite nuevos fotones que tienen una temperatura promedio de la molécula, que es justo por debajo de 26,85 grados Celsius, lo que equivale a la temperatura ambiente. Este método ayudará a los científicos a estudiar fases cuánticas extrañas a temperatura ambiente.
Además, el equipo superó otro obstáculo experimental. Dado que la densidad del gas fotónico no suele ser uniforme, los investigadores utilizaron un método de microestructura para capturar fotones con una caja de espejo plana y desarrollaron con éxito por primera vez un gas fotónico uniforme.
En el futuro, los gases cuánticos ligeros extremadamente comprimibles ayudarán a desarrollar un nuevo tipo de sensor que pueda medir fuerzas diminutas. El resultado de esta investigación no sólo tiene perspectivas técnicas, sino que también tiene un importante valor de investigación básica.