Los físicos descubren cómo crear espuma cuántica en un tubo de ensayo

Los metamateriales deberían permitir a los científicos recrear y estudiar las propiedades del espacio-tiempo a la menor escala.

Un metamaterial es una materia que ha sido desarrollada para manipular y dirigir las ondas magnéticas de una forma que no puede reproducirse con materiales naturales.

Espuma cuántica


Estos materiales son estructuras periódicas construidas a partir de diminutos componentes electrónicos tales como resonadores de anillo dividido y cables. Individualmente, estos componentes tienen una suave interacción con las ondas electromagnéticas. Pero ensamblados en una estructura repetitiva, tienen una poderosa influencia sobre la luz.

No hay pocas cosas exóticas que pueden hacer los metamateriales: desde capas de invisibilidad a líneas de transmisión de energía. Pero una de las aplicaciones más apasionantes está en la cosmología, debido a que, lo creas o no, pueden imitar la estructura del espacio-tiempo.

Resulta que hay una estrecha similitud entre la forma en que la luz sufre el efecto de la curvatura del espacio-tiempo y la forma en que se ve influida por el “espacio” electromagnético dentro de un metamaterial. De hecho, hay una analogía formal entre estas cosas. Por lo que el comportamiento de los fotones dentro de un metamaterial es idéntico a su comportamiento en el espacio-tiempo.

Esto es muy hábil ya que permite a los ingenieros recrear todo tipo de objetos astrofísicos en el laboratorio. Ya hemos hablado antes del primer agujero negro usando un metamaterial y vimos que podría ser posible recrear el Big Bang e incluso multiversos completos.

Ahora tenemos otra idea exótica. Uno de los principales pensadores en este área es Igor Smolyaninov de la Universidad de Maryland en College Park. Hoy, demuestra cómo crear una espuma cuántica dentro de un metamaterial.

Primero, un rápido contexto sobre la espuma cuántica. Nadie está seguro de qué leyes de la física gobiernan el espacio-tiempo a la menor escala, esto es sobre la longitud de Planck de aproximadamente 10-35 metros. Sin embargo, nuestra mejor suposición es que la mecánica cuántica debe prevalecer de algún modo. Y si éste es el caso, entonces en Principio de Incertidumbre de Heisenberg debe desempeñar un papel importante.

Este principio implica que para saber algo sobre una región del espacio a esa escala, tendríamos que usar energías tan altas que crearían un agujero negro. (Por esto es por lo que no tiene sentido pensar en algo menor).

Ahora, dado que estos agujeros negros pueden existir, la mecánica cuántica sugiere que existen, entrando y saliendo constantemente de la existencia a la escala de Planck.

Estos “agujeros negros virtuales” dan al espacio-tiempo una estructura extraña a la escala de Planck. A falta de una mejor palabra, los físicos la conocen como espuma cuántica.

Bien, ¿y qué tiene esto que ver con los metamateriales? Smolyaninov señala que los metamateriales son sólo transparentes a fotones a una longitud de onda específica cuando su permitividad dieléctrica es ajustada para estar por debajo de algún valor crítico.

Si subiera por encima de este valor, el materia se volvería súbitamente opaco.

Por lo que su idea es crear un metamaterial en el cual la permitividad dieléctrica esté justo por debajo de este valor crítico. Entonces cualquier fluctuación térmica dentro del material debería elevar la permtividad, haciendo que el material sea opaco en esa región.

Por lo que cualquier fotón captado en esa región quedaría atrapado. “Experimentan una reflexión interna total en cualquier ángulo de incidencia”, dice Smolyaninov.

Esta región es, por tanto, el análogo de un agujero negro. Y el hecho de que estos agujeros negros aparezcan y desaparezcan cuando la temperatura fluctúa de forma natural, significa que el metamaterial se comporta como una espuma cuántica.

Pero lo mejor es que este efecto de espuma cuántica debería ser fácilmente observable. Smolyaninov dice que hay sistemas bien conocidos que se sitúan en esta unión crítica entre transparencia y opacidad. Señala en particular a una mezcla de anilina y ciclohexano que es inmiscible por debajo de los 35 grados C. Por encima de esta temperatura, sin embargo, el líquido se mezcla fácilmente, creando regiones con distinta permitividad.

El efecto interesante ocurre en las capas entre ellas cuando se mezclan, la cual se hace completamente opaca a la temperatura crítica. Pero debido a las fluctuaciones térmicas, pequeñas regiones están constantemente cambiando su opacidad, atrapando y liberando luz en el proceso. “Este comportamiento es bastante similar al de la física real del espacio-tiempo a la escala de Planck”, comenta Smolyaninov.

En otras palabras, a la temperatura crítica, el material es análogo a la espuma cuántica.

Smolyninov no ha realizado realmente el experimento, pero no hay nada que parezca particularmente complejo. Podrías hacerlo en un vaso común o en un tubo de ensayo. De hecho, concluye su artículo diciendo: “Este efecto parece ser grande y fácilmente observable”.

Lo que significa que pronto, los físicos tendrán su propia versión de la espuma cuántica en el laboratorio.


Artículo de Referencia: arxiv.org/abs/1101.4625 :Virtual Black Holes in Hyperbolic Metamaterials
Fecha Original: 26 de enero de 2011
Enlace Original

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Comments (7)

  1. Información Bitacoras.com…

    Valora en Bitacoras.com: Los metamateriales deberían permitir a los científicos recrear y estudiar las propiedades del espacio-tiempo a la menor escala. Un metamaterial es una materia que ha sido desarrollada para manipular y dirigir las ondas magnét…..

  2. [...] Los físicos descubren cómo crear espuma cuántica en un tubo de ensayo http://www.cienciakanija.com/2011/02/01/los-fisicos-descubren-co…  por n11d3a hace 3 segundos [...]

  3. krollspell

    Fe de erratas: donde dice condensadores de anillo dividido debe decir resonadores de anillo (o anillos) dividido, o en argot, SRRs
    http://en.wikipedia.org/wiki/Split_Ring_Resonator

  4. [...] This post was mentioned on Twitter by Reg Murcia Emprende, Ciências Exactas, Sergio L. Palacios, Tamara, Ciencia Kanija and others. Ciencia Kanija said: Los físicos descubren cómo crear espuma cuántica en un tubo de ensayo http://bit.ly/f7fpRv [...]

  5. Estàn muy interesantes los avances que se han obtenidos con los conocimientos de la MC.

  6. [...] Los físicos descubren cómo crear espuma cuántica en un tubo de ensayo [...]

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