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La luz a veces puede fluir como un superfluido, incluso a temperatura ambiente

ciencia La luz a veces puede fluir como un superfluido, incluso a temperatura ambiente

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Anonim

Por primera vez, la luz de alguna manera se transformó en un superfluido a temperatura ambiente. Este asombroso fenómeno se conocía desde hace tiempo y ya se había obtenido, pero a bajas temperaturas. Este avance podría tener varias aplicaciones en ciencia y tecnología.

Desde Huygens hasta Kelvinen pasando por Maxwell, lalumièrea ha sido concebida como una onda que se propaga en un medio material en particular, el éter. Uno incluso llegó a considerarlo como una especie de fluido con flujos turbulentos formando nódulos estancados que supuestamente representan los elementos químicos. Pero la teoría de la lenelatividad restringida sería un golpe fatal para estas ideas o, al menos, impondría una revolución fundamental en la noción del éter que ya no puede concebirse como un medio material, como Einstein 1920 explicó en una conferencia. se mantuvo famoso. El campo electromagnético debe concebirse como una entidad fundamental y cada vez es más creíble considerar las partículas como concentraciones de energía dentro de este campo.

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Los mapas conceptuales se redistribuyeron con el descubrimiento de los cuantos de luz y las ondas de materia, y por lo tanto la revolución de la mecánica cuántica. Un campo de investigación muestra esto, que ha estado desarrollándose durante algún tiempo, pero que, de hecho, se originó a principios de la década de 1990 con el concepto de fluido cuántico de luz y su último avatar, la luz superfluida. En los últimos años, los físicos también han pasado de la teoría a la práctica, como lo demuestra el trabajo de los investigadores de laboratorio Kastler Brosselen France y ahora un equipo internacional de físicos canadienses e italianos de École Polytechnique de Montréal y CNR Nanotec. Lecce en Italia a través de una publicación en Nature Physics .

Superfluidos, de la materia a la luz

El concepto de superfluido proviene del trabajo de Albert Einsteinet Satyendra Nath Bose en la década de 1920, que condujo al concepto de condensación de Boose-Einstein. Aunque fue el resultado de la investigación de los dos físicos sobre la luz, este concepto se aplicó por primera vez al material, demostrando ser relevante para comprender el comportamiento del helio4 casi absoluto o en el caso de los materiales superconductores.

Un superfluido, con una viscosidad, puede fluir sin encontrar resistencia porque consiste en partículas llamadas desbosones. En el caso de un superconductor, son pares de electrones que se comportan como bosones, y que por lo tanto pueden fluir como un superfluido, por lo que esta vez la resistencia del superconductor se desvanece muy bajas temperaturas

Philippe St-Jean, becario postdoctoral en el Centro de Nanociencia y Nanotecnología del Centro Nacional de Investigación Científica (CNRS) en París, habla de polaritones, estas pseudopartículas con propiedades especiales, entre la luz y la materia. © Radio-Canada Información

Recuerde, sin embargo, que los electrones están desconsolidados, otra gran clase de partículas cuánticas, por lo que un gas de electrones no debe ser superfluido. Esto se hace posible, sin embargo, cuando los electrones se ensamblan en los llamados pares de Cooper, que son bosones. Ahora, los fotones también son bosones y podríamos esperar que la luz muestre algunas propiedades de los superfluidos. Esto no es en absoluto lo que se observa en los experimentos realizados durante gran parte del siglo XX, o más exactamente, no mostraron el comportamiento de un fluido. ¿Cuál es el motivo?

Simplemente porque las partículas de un fluido interactúan entre sí y pueden colisionar. En general, dos granos de luz no se comportan como si pudieran rebotar el uno contra el otro, como las moléculas del aire. Esto es posible, pero solo ocurre a energías muy altas, en relación con el fenómeno de polarización de vacío cuántico y la creación de pares de electrones y depósitos.

Sin embargo, los avances en el campo de la óptica en medios no lineales han demostrado que la interacción de la luz con la materia en algunos materiales obliga a los fotones a comportarse como si fueran partículas capaces de interactuando. Los experimentos han demostrado que en algunas situaciones la luz se comporta como un líquido. Vemos entonces la aparición de estructuras similares a remolinos y efectos de laturbulencia que se forman en particular en un río que encuentra un obstáculo.

Stéphane Kéna-Cohen de Polytechnique Montréal y Daniele Sanvitto de CNR Nanotec han demostrado con sus colegas que también es posible forzar el flujo de la luz como un superfluido en experimentos de óptica cuántica. no lineal, y por lo tanto, de repente, para eliminar los efectos de la turbulencia que se encuentra con los fluidos de la luz ordinaria.

Sobre todo, y este es el resultado nuevo y probablemente el más interesante, han logrado una transición de fase a un estado superfluido a temperatura ambiente. Ahora, tal fenómeno se busca activamente con los electrones dentro de un sólido, porque alteraría nuestra tecnología.

El flujo de polaritones encuentra un obstáculo en un régimen supersónico (alto) y superfluido (bajo). © Polytechnique Montreal

Polaritones, clave para la luz superfluida

Para lograr esta hazaña, investigadores canadienses e italianos, con la ayuda de algunos colegas de la Universidad de Aalto en Finlandia y el Imperial College de Londres, usaron "polaritones". En la mecánica cuántica, se los ve como cuasipartículas. Aunque no son partículas elementales, como fotones o electrones, se comportan de forma muy parecida a ellas debido a las reglas de la teoría cuántica. Un ejemplo bien conocido es el de los desphonons, la cantidad de excitación sonora de las redes cristalinas en un sólido. También podemos mencionar las emociones.

En el presente caso, y como explica el físico Philippe St-Jean en el video anterior, estos polaritones son una especie de mezcla de materia y luz y se forman en particular en una cavidad óptica formada por dos espejos. En el experimento llevado a cabo, los polaritones se fabrican en una película extremadamente delgada de moléculas orgánicas entre dos espejos altamente reflectantes. Ellos son los que fuerzan a la luz a fluir como un fluido cuántico superfluido alrededor de un obstáculo en lugar de extenderse como una onda clásica.

En el sitio de la Polytechnique Montréal, los investigadores explican que "el hecho de que es posible observar tal efecto en condiciones ambientales generará muchos trabajos futuros, con el fin de estudiar la física de los condensados ​​de Bose-Einstein en condiciones mucho más accesibles, pero también para diseñar futuros dispositivos fotónicos usando los superfluidos en los cuales las pérdidas por dispersión serían completamente eliminadas. Y nuevos fenómenos inesperados podrían ser explotados " .

Lo que hay que recordar

  • La superconductividad se debe a un flujo superfluido de cargas eléctricas. Sin embargo, la superfluidez proviene de ser transportada por partículas que son bosones.
  • La luz también está compuesta de bosones, pero para que se comporte como un superfluido, se debe usar la óptica de los medios no lineales.
  • Los flujos de luz superfluida con "polaritones" (cuasipartículas) ya se han producido a bajas temperaturas. En este experimento, por primera vez, el fenómeno se obtuvo a temperatura ambiente.

Para saber más

A veces la luz sería un superfluido

Artículo deLaurent Saccopublished el 11/02/2010

Según dos investigadores de la Universidad Paris-Sud y el CNRS, bajo ciertas condiciones, la luz puede considerarse como un superfluido que se propaga en un entorno no lineal. Esta afirmación es por el momento solo teórica, pero los experimentos que la prueban pueden realizarse.

Hace casi un siglo, el holandés Heike Kamerlingh Onnes estaba produciendo helio líquido por primera vez. Unos años más tarde, en 1911, más precisamente, comenzó a estudiar las propiedades eléctricas de los meteoritos monatómicos a temperaturas muy bajas, como el mercurio, el estaño y el plomo. En este momento, la teoría cinética de los gases de Boltzmann y la de los electrones de Hendrik Lorentz basados ​​en ella finalmente se toman en serio. Algunos científicos, incluido el famoso Lord Kelvin, deducen que dentro de un controlador los electrones deben estar en punto muerto en el cero absoluto. Si este fuera el caso, significaría que la resistividad eléctrica debe tender al infinito a medida que uno se aproxima a la temperatura de 0 Kelvin (K).

Onnes y otros físicos no creen en él e incluso piensan lo contrario. La resistividad debe disminuir gradualmente a cero. Augustus Matthiessen había demostrado en la década de 1860 que la resistividad generalmente aumenta con la temperatura en los metales. La palabra está en el experimento y, ese mismo año, 1911, Kamerlingh Onnes y sus colegas hacen el descubrimiento de la superconductividad observando que a 4, 2 K la resistividad del mercurio es nula.

Ahora sabemos que este fenómeno no está muy lejos de la superfluidez en el helio líquido, por lo que sin saberlo vinculamos dos de las contribuciones más famosas de Onnes a la física. Debe recordarse que la superfluidez solo fue descubierta en 1937 por Pyotr Leonidovich Kapitsa. En ambos casos, es un fenómeno cuántico que involucra fluidos de partículas que fluyen sin encontrar resistencia. Una característica central de estas partículas es que son bosones, descritos por la estadística de Bose-Einstein (la misma que la de los deondensates de BE).

Paul Ehrenfest, Hendrik Lorentz, Niels Bohr y Heike Kamerlingh Onnes (1919) en el Laboratorio de Criogenia en Leiden. © Wikipedia-Public Domain

Esta estadística se descubrió durante la investigación para dilucidar la naturaleza de la luz y teóricamente comprender la radiación del cuerpo negro. Los granos de luz, los fotones, también son bosones. Por lo tanto, no es difícil imaginar que el transporte de ondas de luz en ciertos materiales puede implicar el análogo de lasupraconductivité y, de hecho, de hecho, la superfluidez.

Esto es precisamente lo que debería suceder en ciertas guías de onda no lineales convenientemente hechas para creer los cálculos teóricos de dos investigadores de laboratorio teóricos y modelos estadísticos de la Universidad de Orsay, Patricio Leboeuf y Simon Moulieras. .

Para comprender el resultado teórico que los dos físicos publicaron en las famosas Physical Review Letters, es necesario saber que un superfluido se opone a cualquier resistencia al flujo o al desplazamiento de un objeto que si uno permanece en los dos caso debajo de un límite crítico de velocidad. Arriba, aparecen los fenómenos disipativos.

Al construir una red de guías de onda, es posible controlar de forma determinada la propagación de pulsos de luz que no se mueven en este medio a la velocidad de la luz en el vacío. La red en sí misma puede parecer una red cristalina con defectos, y todo sucede como si los fotones estuvieran interactuando con partículas masivas. Luego, los cálculos muestran que si uno permanece a ciertas velocidades de propagación de la luz, un pulso pasa por los defectos sin experimentar disipación, exactamente como lo haría la propagación de un superfluido.

Queda por realizar el experimento y debe hacerse en el marco del Laboratorio de Fotónica y Nanoestructuras (LPN) de Marcoussis en Francia. Si los resultados son los esperados, se podría considerar aplicar la teoría para mejorar el transporte de la luz en entornos ruidosos.

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Enlaces externos

Superfluidez a temperatura ambiente en un condensado polariton

Movimiento superfluido de luz

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