Los físicos demuestran que la luz superfluida es posible

Luz superfluida vs turbulentaLa superfluidez – la fase de la materia que permite que un fluido ascienda por las paredes de su contenedor – es conocida desde aproximadamente la década de 1930. Desde entonces, la superfluidez se ha convertido en uno de los principales ejemplos de cómo los efectos cuánticos se hacen visibles a escala macroscópica bajo ciertas condiciones. Aunque los físicos han considerado previamente la posibilidad de la luz superfluida, sus resultados habían sido inconcluyentes hasta el momento. En un nuevo estudio, físicos franceses han demostrado teóricamente que el movimiento superfluido de la luz es posible, y han propuesto un experimento para observar el fenómeno.

En su estudio, publicado en un reciente ejemplar de la revista Physical Review Letters, Patricio Leboeuf y Simon Moulieras de la Universidad de Paris-Sud y el CNRS explican que la superfluidez es la capacidad de un fluido de moverse con disipación o viscosidad cero. Un fluido se comporta como un superfluido sólo bajo cierta velocidad crítica; por encima de la velocidad crítica, la superfluidez desaparece. Más comúnmente demostrada en el helio líquido, la superfluidez tiene lugar cuando el helio se enfría y algunos átomos alcanzan su menor energía posible. En este punto, las funciones de onda cuántica de estos átomos empiezan a solaparse y a formar un condensado Bose-Einstein, en el cual todos los átomos se comportan como un único gran átomo, y su naturaleza cuántica se manifiesta a escala macroscópica.

Anteriormente, las investigaciones sobre el movimiento superfluido de la luz no habían revelado pruebas claras de la existencia de una velocidad crítica superfluida. Aunque algunos recientes experimentos han observado superfluidez relacionada con la luz, estos experimentos no usaron fotones, sino unas partículas compuestas, llamadas polaritones, que son una mezcla de fotones y excitones.

En este estudio, Leboeuf y Moulieras han demostrado que existe una velocidad crítica superfluida en un medio no lineal. Explican cómo la luz superfluida puede observarse en un conjunto de guías de onda. Desde un punto de vista dinámico, la luz que se propaga a través de un medio no lineal es formalmente equivalente a un gas Bose de partículas masivas interactuantes. La luz puede viajar recta a través de las guías de onda en la dirección longitudinal, o puede tunelizarse entre guías adyacentes en la dirección transversal. El beneficio de esta configuración es que permite a los científicos diseñar distintas características del conjunto y controlar el flujo de la luz.

Los físicos estaban específicamente interesados en lo que sucede con un pulso de luz cuando viaja a través del conjunto a distintas velocidades en presencia de un defecto. Si la luz es dispersada por el defecto, significa que han tenido lugar procesos disipativos. Si el pulso de luz se mueve a través del defecto sin cambiar su forma (es decir, sin perder colectividad), no hay disipación y la luz tiene un movimiento superfluido. A través de sus cálculos, los físicos demostraron que, para ciertas velocidades bajas, el movimiento transversal de la luz es superfluido con disipación cero. Cuando se incrementa la velocidad, tiene lugar el proceso disipativo que destruye la colectividad de las oscilaciones de la luz, y la superfluidez colapsa.

En el futuro, los físicos plantean investigar más los detalles adicionales de la luz superfluida, por ejemplo, cómo se relaciona con una teoría cuántica de la luz subyacente y cómo está conectado con la condensación Bose-Einstein. Predicen que el movimiento superfluido es una propiedad general de la luz que existe en diferentes escenarios, y no está limitado al conjunto de guías de onda aquí propuestos. La luz superfluida podría también tener aplicaciones en la optimización del transporte de la luz.

“Una implicación directa está relacionada con el transporte en presencia de ruido”, señala Leboeuf. “Tal ruido se espera que esté presente de forma genérica, dado que cualquier material tiene imperfecciones e impurezas. Las impurezas son las responsables de la dispersión de la luz. En el régimen superfluido, esperamos que un pulso de luz sea capaz de propagarse a través de un medio con ruido sin verse afectado o dispersado (transmisión perfecta).”

Leboeuf y Moulieras planean realizar el experimento propuesto y están debatiendo la oportunidad con grupos experimentales del Laboratorio de Fotónica y Nanoestructuras (LPN) en Marcoussis, Francia. No obstante, los científicos dicen que la luz superfluida no es probable que tenga ningún efecto análogo extraño análogo al flujo superfluido ascendente por las paredes de un contenedor.

“El efecto cuántico ‘extraño’ más básico que muestra la luz relacionado con la superfluidez es, como demuestra nuestro artículo, el movimiento sin disipación”, dice Moulieras. “Otro efecto, aunque más indirecto y menos espectacular, es el relacionado con los vórtices cuántizados, que se observan en patrones láser que se propagan a través de medios no lineales. Respecto a otras posibilidades, tales como el movimiento fluido ascendiendo por las paredes de un contenedor, están relacionados, para los átomos, con las fuerzas entre esos átomos y el substrato, y el equilibrio entre capilaridad, gravedad y fuerzas de viscosidad. No vemos una aplicación directa de estas ideas a los fotones, y por tanto, no se espera que se den en la luz”.


Más información: Patricio Leboeuf and Simon Moulieras. “Superfluid Motion of Light.” Physical Review Letters 105, 163904 (2010). DOI: 10.1103/PhysRevLett.105.163904

Autor: Lisa Zyga
Fecha Original: 27 de octubre de 2010
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Comments (6)

  1. Vaya no sabia de los polaritones y excitones. me dejastes tarea para el fin de semana :D

    Lo que entendi del articulo es que quieren hacer una transmision perfecta de la luz en medios que tengan defectos de dispersión y proponen un esperimento para ello,

  2. Si, pero a la vez conectan con el condensado Bosse-Einsten, una forma macroscópica de la cuántica, la luz puede viajar recta o tunelizada, muy interesante.

  3. ÀCP

    Velocidad crítica para la luz?

    • AntonioE

      La velocidad de la luz es máxima en el vacío , la famosa “c”. En otros medios (¿o debería decir en algún medio, al ser el vacío la ausencia de medio?), como agua, vidrio, aire, lo-que-sea… la velocidad de la luz es menor y depende del medio, así que es posible hablar de velocidad crítica de la luz.

      • Gres

        Pero eso es por refracción, o reflejos internos. La velocidad (en realidad rapidez, pero bueno) de la luz es “c” siempre, es constante, es la máxima y mínima.

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