Bosones:partículas fundamentales que pueden ocupar el mismo estado cuántico, de modo que un condensado de bosones se comporta como una sola partícula cuántica. Crédito:FLOTA
Los fluidos cuánticos condensados de Bose no son para siempre. Dichos estados incluyen superfluidos y condensados de Bose-Einstein (BEC).
Hay una hermosa pureza en estados tan exóticos, en el que cada partícula está en el mismo estado cuántico, permitiendo que los efectos cuánticos se vean a un nivel macroscópico visible en un microscopio simple.
Sin embargo, en realidad no todas las partículas permanecen en el condensado incluso en el cero absoluto donde, clásicamente, se espera que las partículas se detengan. En lugar de, las fluctuaciones cuánticas inducidas por la interacción hacen que las partículas choquen, expulsar inevitablemente algunas partículas del condensado, un fenómeno llamado "agotamiento cuántico".
Este efecto es increíblemente fuerte en helio-4 superfluido, el primer superfluido conocido, de modo que el 90% de las partículas se expulsen del condensado. Sin embargo, en extremadamente diluido, gases atómicos ultrafríos, que forman los condensados típicos de Bose-Einstein (BEC) que conocemos, el efecto es mucho más débil, casi insignificante.
Aunque el agotamiento cuántico ha sido bien descrito teóricamente (por la teoría de 70 años desarrollada por Nikolay Bogoliubov), históricamente se ha sabido que es difícil de medir en un BEC atómico por varias razones.
En lugar de partículas atómicas, Los físicos de la Universidad Nacional de Australia (ANU) usan excitones-polaritones, partículas híbridas con carácter tanto de luz como de materia, que permite la detección del impulso sin ninguna distorsión.
El equipo de ANU, dirigido por la profesora Elena Ostrovskaya, detectó con éxito las partículas expulsadas bloqueando la luz, usando un filo de navaja, emitido por el condensado increíblemente brillante. "Es como recrear un eclipse solar, ", dice el autor principal del estudio, el Dr. Maciej Pieczarka." La luna bloquea el sol brillante (el condensado) y expone su corona gloriosa (las excitaciones) ".
El estudio representa la primera observación directa del agotamiento cuántico en un condensado de Bose-Einstein (BEC) en no equilibrio.
Los condensados "parecidos a la luz" no se comportan como cabría esperar. De hecho, no hay explicación para este comportamiento
Un resultado sorprendente del estudio ofrece un nuevo desafío para la física de los fluidos cuánticos en desequilibrio. Los condensados de excitón-polaritón se pueden sintonizar de más parecidos a la materia (excitónicos) a más parecidos a la luz (fotónicos), permitiendo la comparación con las teorías de equilibrio atómico (materia) condensado y de los fluidos cuánticos de luz no equilibrados.
Exciton polariton:una partícula híbrida compuesta por un fotón (luz) y un excitón (un par electrón-hueco ligado). Crédito:FLOTA
Los investigadores encontraron que cuando los condensados eran "similares a la materia, "se comportaron exactamente como se esperaba para un BEC en equilibrio térmico (descrito por la teoría de Bogoliubov de larga data).
Sin embargo, condensados que eran "parecidos a la luz" desviados del comportamiento esperado de Bogoliubov, de una manera no descrita por ninguna teoría existente
En breve, incluso si estos condensados son conducidos-disipativos, pueden comportarse como condensados atómicos en equilibrio (cuando son similares a la materia) o como un fluido cuántico que no está en equilibrio (cuando son similares a la luz).
Se observa excitación negativa
La investigación resuelve un problema de larga data en los condensados de excitón-polaritón:el problema de la visibilidad de las ramas de excitación.
El agotamiento cuántico conduce a la visibilidad de ramas fantasma en el espectro de excitaciones. Previamente, sólo las excitaciones positivas o normales se habían observado alguna vez en un creado espontáneamente, BEC en estado estacionario, mientras que las excitaciones negativas o fantasma predichas por Bogoliubov eludieron las observaciones en este régimen.
Ahora, el equipo de ANU utilizó condensados de alta densidad dominados por interacción, en el régimen de estado estacionario, para aumentar la señal muy débil de las partículas fantasma. Este estudio demuestra la primera observación experimental clara de esta rama fantasma de excitaciones elementales en una creación espontánea, condensado de excitón-polaritón en estado estacionario.
A diferencia de su contraparte normal, las partículas fantasma solo pueden ser creadas por fluctuaciones cuánticas y su detección en este estudio es la prueba del agotamiento cuántico de condensados de excitón-polaritón.
"Lo irónico de estas partículas expulsadas es que, aunque estrictamente no forman parte del condensado, en realidad te dicen casi todo sobre el condensado agotado, "dice el coautor Dr. Eliezer Estrecho.
El equipo dirigido por ANU utilizó la observación de la rama fantasma para medir con precisión la fuerza de las interacciones de excitones-polaritones, un parámetro clave que tenía una gran incertidumbre controvertida basada en las mediciones de otros grupos. El resultado está totalmente de acuerdo con el trabajo previo del equipo de ANU (ver más abajo), donde la alta densidad, El condensado dominado por interacción se combinó casualmente con el efecto de quemado del agujero. El excelente acuerdo con la teoría ha resuelto finalmente la controversia.
Izquierda:luminiscencia del espacio de momento de la señal fuerte del condensado de alta densidad. Derecha:los mismos datos tomados con un filtro de borde afilado que cubre la señal del condensado, revelando las excitaciones normales y fantasma del condensado. Crédito:FLOTA
Superfluidos y condensados cuánticos
Superfluidos, como el helio-4, están estrechamente relacionados con los condensados de Bose-Einstein (BEC) de bosones que interactúan.
"Agotamiento cuántico" describe el proceso mediante el cual, incluso en Absolute Zero, algunas de las partículas que ocupan el estado cuántico macroscópico se excitan en estados de mayor momento a través de interacciones entre partículas y fluctuaciones cuánticas.
Esencialmente, dichas partículas se expulsan del condensado.
El agotamiento cuántico es particularmente difícil de medir en sistemas que no están en equilibrio, como los condensados de excitón-polaritón (fotones acoplados a pares de electrones y huecos en un semiconductor), ya que existen otros procesos que pueden producir el mismo efecto de expulsión.
En el nuevo estudio, El agotamiento cuántico de un condensado de excitón-polaritón de alta densidad atrapado ópticamente se observa al detectar directamente la firma reveladora del proceso de las partículas fantasma que ocupan la rama negativa de las excitaciones elementales.
"Los resultados exigen una comprensión más profunda de la relación entre BEC de equilibrio y no equilibrio, "dice la profesora Elena Ostrovskaya.
El equipo, que incluye colaboradores teóricos dentro del nodo de la Universidad de Monash de FLEET, ahora está ampliando su trabajo para dilucidar propiedades subyacentes más profundas, como las fases y relaciones universales, de este híbrido de materia ligera de un condensado.
"La observación del agotamiento cuántico en un condensado excitón-polaritón sin equilibrio" se publicó en Comunicaciones de la naturaleza en Enero.
