IBM fabrica un condensado de Bose-Einstein a temperatura ambiente

Por Francisco R. Villatoro, el 11 diciembre, 2013. Categoría(s): Ciencia • Física • Nanotecnología • Nature • Noticias • Óptica • Physics ✎ 2

Dibujo20131211 spatial and temporal coherence bose-einstein condensate - nature materials

Un condensado de Bose-Einstein (BEC) es un estado macroscópico de la materia descrito por una única función de onda, igual que un sólo átomo, pero formado por millones de átomos (lo que algunos llaman un “superátomo”). Con átomos hay que enfriarlos a millonésimas de Kelvin por encima del cero absoluto de temperaturas. Utilizando cuasipartículas de tipo excitón-polaritón, investigadores del Centro de Nanotecnología Binnig y Rohrer de IBM han logrado fabricar un BEC a temperatura ambiente (la primera vez que se logra).

La vida media del BEC a temperatura ambiente es muy corta, unos 0,2 picosegundos (200 femtosegundos). Puede parecer un gran inconveniente, pero no lo es tanto, pues se forma un BEC durante 0,2 ps por cada pulso de 8 ps del láser, suficiente para muchas aplicaciones prácticas en optoelectrónica (conmutadores ópticos, fuentes de luz láser basadas en el BEC, etc.). Por ello, esta nueva tecnología promete toda una nueva generación de dispositivos optoelectrónicos que aprovechen la versatilidad y la flexibilidad de los polímeros. Nos lo cuenta Dexter Johnson, “Bose-Einstein Condensate Made at Room Temperature for First Time,” IEEE Spectrum, 10 Dec 2013. El artículo técnico es Johannes D. Plumhof, Thilo Stöferle, Lijian Mai, Ullrich Scherf, Rainer F. Mahrt, “Room-temperature Bose–Einstein condensation of cavity exciton–polaritons in a polymer,” Nature Materials, AOP 08 Dec 2013.

Dibujo20131211 DBR Microcavity contains the spin-cast polymer layer in optical field - chemical structure of the MeLPPP polymer - nature materials

El equipo de IBM ha colocado una fina capa de 35 nm de espesor de un polímero (llamado MeLPPP) en una cavidad óptica formada por dos espejos (un interferómetro de Fabry-Pérot). Aplicando pulsos de luz de 8 picosegundos mediante un láser, que atraviesan el polímero y rebotan múltiples veces entre los espejos, se logran excitar estados tipo excitón-polaritón en el polímero que se comportan como bosones con una masa muy pequeña y pueden pasar a un estado condensado de Bose-Einstein a una temperatura crítica muy alta (incluso a temperatura ambiente, más de 300 K).

Dibujo20131211 blueshifted light from polariton dispersion - emergence of room-temperature polariton bec - nature materials

Recuerda que un excitón es una cuasipartícula formada por un electrón y un hueco (ausencia de un electrón) ligados por un campo eléctrico (similar al que liga un electrón a un protón en un átomo de hidrógeno). Un polaritón es una cuasipartícula formada por el acoplamiento entre ondas electromagnéticas (luz) y dipolos eléctricos (o magnéticos). El excitón-polaritón (también llamado polaritón de tipo excitón) es un polaritón resultado de la interacción de la luz en una cavidad óptica con un excitón que actúa como dipolo eléctrico. Estas cuasipartículas se comportan como bosones y se observan en materiales semiconductores.

¿Por qué hay que enfriar mucho los átomos para formar un BEC? La longitud de onda de De Broglie (λ=h/p) de cada átomo debe ser tan grande como para abarcar todos los átomos del condensado; gracias a este solape entre todas estas funciones de onda, se superponen en una única función de onda para todo el condensado. Para que la longitud de onda de De Broglie sea muy grande  debe ser muy pequeño el momento lineal (producto de la velocidad por la masa). Hay dos posibilidades, la más obvia es que la velocidad cinética de los átomos sea muy pequeña, lo que exige enfriar los átomos a temperaturas muy próximas al cero absoluto. La otra, menos obvia, es usar bosones con una masa muy pequeña.

Los polaritones de tipo excitón son cuasipartículas de tipo bosón con una masa efectiva extremadamente pequeña, unas billonésimas de la masa de un átomo. Gracias a ello la temperatura crítica para la transición BEC puede ser muy alta, hasta de varios cientos de Kelvin (depende de la densidad de polaritones). Por supuesto, esto no significa que realizar este experimento sea fácil, aunque lo más difícil es medir las propiedades del BEC y demostrar que se comporta como predice la teoría.



2 Comentarios

  1. Off-topic: Puede que la nueva revolución en física fundamental se llame “Amplithuedron”. De nuevo las matemáticas muestran su enorme poder: el volumen de un nuevo objeto matemático nos da las amplitudes correctas en diagramas de Feynman para varios “loop”. Este nuevo objeto en N=4 SYM, nos muestra nuevas simetrías más allá de las ya conocidas, nos indican que el espacio y el tiempo son emergentes (asi como la localidad y la unitariedad) y que la simetría gauge no es una simetría fundamental y tiene que ser sacada del formalismo matemático. Este nuevo enfoque puede ser realmente revolucionario, quizás Francis si tiene algo de tiempo y ha leído algo sobre el tema pueda escribir una entrada sobre este nuevo y prometedor trabajo.

    1. Planck, has escrito lo mismo que diría Arkani-Hamed, pero cuidado, el amplituedro sólo es útil en diagramas planos, sólo funciona en una teoría toy model como N=4 SYM y nadie sabe que simetría esconde. En mi opinión de inexperto, si no estuviera detrás Arkani-Hamed poca gente le prestaría atención a esta idea. Pasa lo mismo que con las dualidades, en apariencia es un concepto revolucionario, pero en la práctica le falta “chicha”.

      Bueno, al grano, tengo dos borradores en español y uno en inglés sobre el tema. No estoy contento con lo que he escrito, pero quizás pronto acaben viendo la luz.

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