Un sistema hecho de solo un puñado de partículas actúa como sistemas más grandes, permitiendo a los científicos estudiar el comportamiento cuántico más fácilmente.

La mayoría de las sustancias que estudian los físicos están formadas por una gran cantidad de partículas, tan grandes que esencialmente no hay diferencia entre las propiedades de comportamiento de una gota o el valor del agua pura de una piscina. Incluso una sola gota puede contener más de un billón de partículas.

Esto hace que la comprensión de su comportamiento colectivo sea relativamente fácil. Por ejemplo, tanto el agua de la gota como de la piscina se congelarán a 0 ° C y hervirán a 100 ° C.

Tales 'transiciones de fase' (es decir, de líquido a sólido o de líquido a gas) pueden parecer abruptas en estos grandes sistemas, porque hay tantas partículas involucradas que todas parecen actuar a la vez. Pero, ¿qué ocurre en sistemas mucho más pequeños? Cuando solo hay un puñado de partículas, ¿Se aplican las mismas reglas de transición de fase?

Para responder a estas preguntas, un equipo de científicos del Imperial College de Londres, la Universidad de Oxford y el Instituto de Tecnología de Karlsruhe, Alemania, hizo un sistema de menos de 10 fotones, las partículas fundamentales de luz. Los resultados de sus experimentos, publicado hoy en Física de la naturaleza , muestran que las transiciones de fase todavía ocurren en sistemas compuestos por tan solo siete partículas en promedio.

Estudiar el comportamiento cuántico de las partículas es mucho más fácil con menos partículas, por lo que el hecho de que se produzcan transiciones de fase en estos pequeños sistemas significa que los científicos están en mejores condiciones de estudiar propiedades cuánticas como la coherencia.

El autor principal, el Dr. Robert Nyman, del Departamento de Física de Imperial, dijo:"Ahora que se ha confirmado que la 'transición de fase' sigue siendo un concepto útil en sistemas tan pequeños, podemos explorar propiedades de formas que no serían posibles en sistemas más grandes.

"En particular, podemos estudiar las propiedades cuánticas de la materia y la luz, lo que sucede en la escala más pequeña cuando ocurren las transiciones de fase ".

El sistema que estudió el equipo fue un condensado de Bose-Einstein (BEC) de fotones. Las BEC se forman cuando un gas de partículas cuánticas está tan frío o tan cerca que ya no se pueden distinguir. Un BEC es un estado de la materia que tiene propiedades muy diferentes a las de los sólidos, líquidos gases o plasmas.

El equipo descubrió que al agregar fotones al sistema, una transición de fase a un BEC ocurriría una vez que el sistema alcanzara alrededor de siete fotones, menos que en cualquier otro BEC visto antes. Siendo tan pequeño la transición fue menos abrupta que en sistemas más grandes como charcos de agua, pero el hecho de que la transición ocurrió en un punto predecible refleja bien los sistemas más grandes.

El sistema se creó con un aparato simple:un tinte fluorescente y espejos curvos. Esto significa que además de ser útil en el estudio de las propiedades cuánticas, el sistema podría usarse para crear y manipular estados especiales de luz.

Coautor Dr. Florian Mintert, del Departamento de Física de Imperial, dijo:"Con lo mejor de dos mundos distintos, la física de las transiciones de fase y la accesibilidad de los sistemas pequeños, esta fuente de luz inusual tiene aplicaciones potenciales en medición o detección".