Físicos criaram um gás unidimensional feito de luz: WebCuriosos

Os físicos criaram um gás unidimensional exótico, aprisionando fótons para criar um estado da matéria conhecido como Condensado de Bose-Einstein (BEC).

Tal como uma fila de conga se move de forma muito diferente da multidão num concerto de rock, o comportamento da matéria depende, em grande medida, do facto de estar confinada a uma fila unidimensional ou de lhe ser permitido espalhar-se numa área bidimensional.

Para determinar o ponto em que esse comportamento muda em um sistema quântico, pesquisadores da Universidade de Bonn e da Universidade de Kaiserslautern-Landau, na Alemanha, conduziram um experimento.

Eles estavam particularmente interessados ​​em como uma transição para um confinamento unidimensional alterava as propriedades críticas do gás à medida que ele esfriava e passava por uma mudança de fase.

Um BEC forma-se quando certas partículas, como os fotões, são arrefecidas e presas num espaço que as força a abandonar a sua individualidade, tornando-se efetivamente num gás com uma identidade quântica partilhada.

Graças à forma como o calor e a imprecisão quântica se espalham, a transição para este estado é um pouco mais difícil quando as partículas têm menos dimensões nas quais podem se mover livremente.

“As coisas são um pouco diferentes quando criamos um gás unidimensional em vez de bidimensional”, diz físico Frank Vewinger, da Universidade de Bonn.

“As chamadas flutuações térmicas ocorrem em gases fotónicos, mas são tão pequenas em duas dimensões que não têm impacto real. No entanto, numa dimensão, estas flutuações podem – falando figurativamente – criar grandes ondas.”

Para permitir a mudança para um gás unidimensional, os pesquisadores usaram um pequeno recipiente chamado microcavidade e o encheram com uma solução corante. Um laser foi utilizado para liberar fótons na solução, o que facilitou seu resfriamento. As paredes reflexivas do recipiente restringiam as propriedades ondulatórias dos fótons, mantendo-os saltando em um espaço confinado.

Crucialmente, a equipe desenvolveu um método para produzir saliências microscópicas ao longo das paredes reflexivas usando um polímero transparentereduzindo lentamente a liberdade dos fótons.

“Esses polímeros funcionam como uma espécie de calha, mas neste caso para luz”, diz o físico Kirankumar Karkihalli Umesh, da Universidade de Bonn. “Quanto mais estreita for essa calha, mais unidimensionalmente o gás se comporta.”

A configuração experimental permitiu à equipe confirmar previsões teóricas sobre a forma como os condensados ​​​​BOSE se formam em diferentes dimensões. No futuro, as estruturas poliméricas dentro da microcavidade poderão ser ajustadas para testar outras teorias e para explorar ainda mais o comportamento fundamental desses estados altamente incomuns da matéria.

Por enquanto, foi demonstrado que os gases fótons unidimensionais não têm um ponto de condensação preciso, porque o movimento dos fótons é muito restrito – e que mesmo em uma linha de conga, as leis da física quântica substituem as da física clássica. o suficiente para formar um estado BEC parcial de baixa energia.

“Agora conseguimos investigar este comportamento na transição de um gás fóton bidimensional para um unidimensional pela primeira vez,” diz Vewinger.

A pesquisa foi publicada em Física da Natureza.