Luz lí­qui­da

¿Pue­de com­por­tar­se la luz co­mo un su­per­flui­do? Sí, y es­to qui­zá va­ya mu­cho más allá de una ha­za­ña de la­bo­ra­to­rio. Al­gu­nos in­ves­ti­ga­do­res sos­tie­nen que ser­vi­rá pa­ra cons­truir compu­tado­ras óp­ti­cas in­fi­ni­ta­men­te más rápidas que las ac­tua­les.

Muy Interesante (Chile) - - SUMARIO - Por Mi­guel Ángel Sa­ba­dell

Se ha des­cu­bier­to que la luz se pue­de com­por­tar co­mo un flui­do. Con ello se po­drían crear su­per­compu­tado­ras óp­ti­cas más rápidas que las ac­tua­les.

Ima­gí­na­te un ra­yo de luz ca­paz de res­ba­lar en­tre tus de­dos; de fluir co­mo lo ha­ce el agua de un río, ro­dean­do los obs­tácu­los. Re­sul­ta in­creí­ble, pe­ro tal ti­po de luz exis­te. El ve­rano pa­sa­do se pu­bli­có en la re­vis­ta Na­tu­re Phy­sics el tra­ba­jo de un equi­po de in­ves­ti­ga­do­res del La­bo­ra­to­rio de Fo­tó­ni­ca Avan­za­da del Ins­ti­tu­to de Na­no­tec­no­lo­gía de Lec­ce, la Es­cue­la Po­li­téc­ni­ca de Mon­treal, el Cen­tro de Ex­ce­len­cia de la Uni­ver­si­dad Aalto de Fin­lan­dia y la Es­cue­la Im­pe­rial de Londres. En su ar­tícu­lo de­mos­tra­ban que es po­si­ble ha­cer que la luz se com­por­te co­mo un lí­qui­do, y en con­di­cio­nes de tem­pe­ra­tu­ra am­bien­te. Es­to úl­ti­mo es lo más sor­pren­den­te, co­mo lue­go ex­pli­ca­re­mos.

Es­tá de más de­cir que ja­más ve­re­mos luz flu­yen­do por los rin­co­nes. Es­ta pe­cu­liar pro­pie­dad só­lo sur­ge cuan­do se pro­du­cen circunstancias muy par­ti­cu­la­res. En el ca­so de es­te ex­pe­ri­men­to, esa flui­dez apa­re­ce cuan­do la luz se ‘vis­te’ con elec­tro­nes, lo que de­ri­va en una pe­cu­liar mez­cla lla­ma­da po­la­ri­tón, una cua­si­par­tí­cu­la que de­ri­va del aco­pla­mien­to en­tre un fo­tón y el me­dio ma­te­rial por el que és­te se mueve. Pa­ra ser más pre­ci­sos: una cua­si­par­tí­cu­la es una par­tí­cu­la que se des­pla­za ro­dea­da por una nu­be de otras a las que arras­tra a su pa­so. La me­jor ana­lo­gía es la de ima­gi­nar a un es­quia­dor que des­cien­de por una la­de­ra cu­bier­ta de nie­ve en pol­vo. Al ha­cer­lo, va acom­pa­ña­do por una nu­be de nie­ve y cris­ta­les de hie­lo. Des­de el pun­to de vis­ta fí­si­co, ese con­jun­to nu­be-es­quia­dor es un sis­te­ma que po­see pro­pie­da­des di­fe­ren­tes a las que ten­dría el es­quia­dor so­lo.

El nom­bre de cua­si­par­tí­cu­la se ex­pli­ca por el he­cho de que no es­ta­mos real­men­te an­te una par­tí­cu­la, sino an­te un mo­de­lo, una cons­truc­ción teó­ri­ca que usan los fí­si­cos pa­ra des­cri­bir un sis­te­ma com­ple­jo de ma­ne­ra ma­te­má­ti­ca­men­te sen­ci­lla, de mo­do que pue­dan ha­cer pre­dic­cio­nes de su evo­lu­ción y su in­ter­ac­ción con el en­torno.

Pa­ra crear po­la­ri­to­nes, los in­ves­ti­ga­do­res cons­tru­ye­ron un dis­po­si­ti­vo óp­ti­co for­ma­do por dos es­pe­jos al­ta­men­te re­flec­tan­tes si­tua­dos uno fren­te a otro. En­tre am­bos pu­sie­ron una pe­lí­cu­la ul­tra­fi­na de mo­lé­cu­las or­gá­ni­cas de cien na­nó­me­tros de es­pe­sor (el gro­sor de un pe­lo tie­ne unos 50,000 na­nó­me­tros). Pa­ra ge­ne­rar el po­la­ri­tón, dis­pa­ra­ron un lá­ser que emi­tía luz en pul­sos de una du­ra­ción de 35 fem­to­se­gun­dos (un fem­to­se­gun­do es la mil­bi­llo­né­si­ma par­te de un se­gun­do).

La su­per­flui­dez de los fo­to­nes

Stép­ha­ne Ké­na-Cohen, pro­fe­sor del De­par­ta­men­to de In­ge­nie­ría Fí­si­ca de la Es­cue­la Po­li­téc­ni­ca de Mon­treal, en Ca­na­dá, ex­pli­ca el ex­pe­ri­men­to: “La luz del lá­ser in­ter­ac­cio­na fuer­te­men­te con las mo­lé­cu­las a me­di­da que va y vie­ne en­tre los es­pe­jos, y es­to per­mi­te crear un hí­bri­do flui­do de luz y ma­te­ria. De es­te mo­do, com­bi­na­mos las pro­pie­da­des de los fo­to­nes –ma­sa efec­ti­va ba­ja y ve­lo­ci­dad al­ta– con las in­ter­ac­cio­nes fuer­tes de­bi­das a los elec­tro­nes de las mo­lé­cu­las or­gá­ni­cas”. Pe­ro lo más im­por­tan­te que han lo­gra­do con es­ta com­pli­ca­da téc­ni­ca no es que los fo­to­nes de luz se com­por­ten co­mo un lí­qui­do, sino al­go mu­cho más ra­ro: que lo ha­gan co­mo un su­per­flui­do. Pa­ra en­ten­der e in­ter­pre­tar es­te lo­gro, es im­pres­cin­di­ble re­pa­sar unas cuan­tas no­cio­nes fí­si­cas. Va­ya­mos a ello.

Sa­be­mos que los lí­qui­dos pre­sen­tan cier­ta opo­si­ción a fluir de­bi­do al ro­za­mien­to de sus mo­lé­cu­las con las de las pa­re­des del re­ci­pien­te que los con­ten­ga. Es­te fe­nó­meno es el cau­san­te, por ejem­plo, de que el agua pro­duz­ca on­das y re­mo­li­nos a su pa­so por las tu­be­rías. Pe­ro las co­sas pue­den com­pli­car­se en el mun­do de la me­cá­ni­ca de flui­dos. En 1937 tres cien­tí­fi­cos –el ru­so Piotr Ka­pit­sa y los ca­na­dien­ses John Allen y Aus­tin Mi­se­ner– des­cu­brie­ron de ma­ne­ra si­mul­tá­nea que el he­lio en­fria­do por de­ba­jo de los -271 ºC pa­ra con­ver­tir­lo en un lí­qui­do desa­rro­lla­ba dos pro­pie­da­des sor­pren­den­tes: una, que su con­duc­ti­vi­dad tér­mi­ca –la ca­pa­ci­dad pa­ra trans­mi­tir ca­lor– au­men­ta­ba y se ha­cía dos­cien­tas ve­ces ma­yor que la del co­bre; y dos, aún más in­só­li­ta si ca­be, que su vis­co­si­dad, o sea, su re­sis­ten­cia a fluir, caía a una diez­mi­lé­si­ma par­te de la del hi­dró­geno ga­seo­so.

Di­cho de otro mo­do: a -271 ºC la vis­co­si­dad del he­lio des­apa­re­cía y es­te ele­men­to se con­ver­tía en un su­per­flui­do. Al no exis­tir ro­za­mien­to con las pa­re­des de su re­ci­pien­te, no había for­ma de con­te­ner­lo, y el he­lio su­per­flui­do se de­rra­ma­ba al ex­te­rior. Tam­bién des­cu­brie­ron que en es­ta for­ma se po­día co­lar por cual­quier mi­cro­agu­je­ro, in­clu­so por aque­llos con un diá­me­tro in­fe­rior a unas po­cas diez­mi­lé­si­mas de mi­lí­me­tro. ¿De dón­de ve­nía es­ta in­creí­ble pro­pie­dad? No hu­bo que es­pe­rar mu­cho tiem­po pa­ra des­cu­brir­lo.

El quin­to es­ta­do de la ma­te­ria

Al año si­guien­te, en 1938, el fí­si­co ale­mán Fritz Lon­don su­gi­rió que esa tran­si­ción a la su­per­flui­dez po­dría ser un ejem­plo de un fe­nó­meno des­cri­to tre­ce años an­tes por Al­bert Eins­tein y el cien­tí­fi­co in­dio Sat­yen­dra Nath Bo­se, y que re­ci­bía el nom­bre de con­den­sa­do de Bo­se-Eins­tein (CBE): un nue­vo es­ta­do de agre­ga­ción de la ma­te­ria, el quin­to pa­ra más se­ñas. Por­que a los bien co­no­ci­dos ga­seo­so, lí­qui­do y só­li­do de­be­mos aña­dir dos más. Si por en­ci­ma del ga­seo­so te­ne­mos el plas­ma, por de­ba­jo del só­li­do se en­cuen­tra el CBE.

Eins­tein y Bo­se pre­di­je­ron que cuan­do lle­va­mos una sus­tan­cia a una tem­pe­ra­tu­ra muy cer­ca­na al ce­ro ab­so­lu­to (-273.15 ºC), de­ja de ser un só­li­do y se con­vier­te en un CBE. Es­to no le pa­sa a to­das las par­tí­cu­las, sino só­lo a las lla­ma­das bo­so­nes, que ac­túan co­mo en­la­ces en­tre las de­más y por­tan las di­ver­sas in­ter­ac­cio­nes fí­si­cas. Los bo­so­nes po­seen un va­lor en­te­ro (0,1,2, 3...) del es­pín, una pro­pie­dad de las par­tí­cu­las subató­mi­cas que po­de­mos aso­ciar muy tos­ca­men­te a un mo­vi­mien­to de ro­ta­ción. El fo­tón, por ejem­plo, es un bo­són. Aque­llas par­tí­cu­las –o gru­pos de par­tí­cu­las– que po­seen un es­pín se­mi­en­te­ro (1/2, 3/2, 5/2...), co­mo los elec­tro­nes, los neu­tro­nes y los pro­to­nes, se llaman fer­mio­nes y no com­par­ten es­ta ca­pa­ci­dad de con­ver­tir­se en un CBE.

CO­MO UN RÍO. Stép­ha­ne Ké­na-Cohen, de la Po­li­téc­ni­ca de Mon­treal, es uno de los cien­tí­fi­cos que ha con­ver­ti­do la luz en un su­per­flui­do a tem­pe­ra­tu­ra am­bien­te. A un la­do ve­mos la di­fe­ren­cia que hay cuan­do los po­la­ri­to­nes que for­man la luz lí­qui­da ac­túan co­mo un su­per­flui­do –de­re­cha– y cuan­do no lo ha­cen –iz­quier­da–. (Arri­ba a la de­re­cha) Es­que­ma de la mi­cro­ca­vi­dad or­gá­ni­ca usa­da pa­ra ob­ser­var el flu­jo del su­per­flui­do.

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