ASÍ SE FABRICA LA LUZ LÍQUIDA
¿Puede comportarse la luz como un superfluido? Sí, y este descubrimiento quizá vaya mucho más allá de ser una hazaña de laboratorio. Algunos investigadores sostienen que servirá para construir ordenadores ópticos infinitamente más rápidos que los 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 un 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 las esquinas. Esta peculiar propiedad solo surge cuando se producen unas 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 surge del acoplamiento entre un fotón y el medio material por el que este 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 forma matemáticamente sencilla, de manera 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 solo 35 femtosegundos (un femtosegundo es la milbillonésima parte de un segundo).
LA SUPERFLUIDEZ DE LOS FOTONES DEJA BOQUIABIERTOS A LOS FÍSICOS
Stéphane Kéna-Cohen, profesor del Departamento de Ingeniería Física de la Escuela Politécnica de Montreal (Quebec), 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 com- plicada 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. Vamos 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 forma 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 ex- terior. 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.
TENEMOS EL GUSTO DE PRESENTAROS 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. 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 les pasa a todas las partículas, sino solo 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...)
CREAR LUZ LÍQUIDA A TEMPERATURA AMBIENTE PODRÍA LLEVARNOS A TENER ORDENADORES DIEZ MIL VECES MÁS RÁPIDOS QUE LOS DE HOY
del espín, una propiedad de las partículas subatómicas que podemos asociar muy groseramente 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.
Además, los bosones poseen una propiedad que viene dada exclusivamente por el valor entero de su espín: podemos apiñar todos los que queramos en un mismo espacio y a la vez, algo imposible con los fermiones. Pero ¿adónde nos lleva esto?
UNA MAGIA QUE SE DESVANECE EN UN ABRIR Y CERRAR DE OJOS
A temperaturas normales, los átomos de un gas, ya sea de bosones o fermiones, se distribuyen por todo el volumen del recipiente que los alberga. Pero a temperaturas tan bajas como milmillonésimas de grado por encima del cero absoluto, los bosones pierden su identidad individual y se comportan como si fueran un solo superátomo. Es el condensado de Bose-Einstein. Como dos fermiones no pueden ocupar el mismo sitio al mismo tiempo, no formarán un condensado, pero si dos de ellos se unen para dar lugar a un estado ligado, lo resultante es un bosón que empezará a comportarse como tal. Así ocurre con el helio, en particular, con uno de sus dos isótopos, el helio-4.
Hasta 1995, el CBE era pura teoría. Pero ese año, los estadounidenses Carl Wieman y Eric Cornell y el alemán Wolfgang Ketterle crearon el primer condensado de Bose-Einstein de la historia, lo que les valió el Nobel de Física en 2001. ¿Cómo lo hicieron? Poniendo dos mil átomos de rubidio a menos de cien mil millonésimas de grado durante diez segundos. Como vemos, este estado de la materia solo se logra a temperaturas inimaginablemente bajas y durante lapsos de tiempo minúsculos.
Es en este contexto en el que debemos interpretar el logro que ha dado pie al reportaje: obtener luz líquida que se comporta como un superfluido que no genera turbulencias al toparse con un obstáculo, simplemente lo rodea y sigue su curso sin alterarse. Pero lo revolucionario no es esto, sino que se ha logrado sin necesidad de enfriar el sistema hasta acercarse al cero absoluto. Que se pueda obtener superfluidez a temperatura ambiente abre la puerta a la resolución de uno de los grandes retos de la electrónica: cómo transmitir datos a mucha más velocidad de lo que se hace hoy.
Tenemos dos formas de transmitir y procesar información: electrones correteando por cables de cobre, y fotones haciendo lo propio por fibras ópticas. Usamos los fotones para llevar datos de un lado a otro, que procesamos mediante electrones que se mueven por chips semiconductores. El problema radica en cómo convertir de forma rápida y eficaz las señales eléctricas en luminosas, y viceversa. Si se encontrara una solución óptima estaríamos ante un avance tecnológico colosal.
En 2016 se dio un paso en esta dirección. En los Laboratorios Cavendish de la Universidad de Cambridge, el equipo liderado por el profesor de Nanofotónica Jeremy Baumberg diseñó un interruptor electroóptico en miniatura que mezcla señales eléctricas y ópticas usando cantidades mínimas de energía. Para funcionar, concentra muchos polaritones en el mismo punto y los condensa, en un proceso similar al que se da en la atmósfera cuando hay mucha humedad. Así, crearon un fluido de luz que puede girar en el sentido de las agujas del reloj o en el contrario. Este movimiento se puede controlar desde el exterior aplicando un campo eléctrico, y los polaritones emiten un fotón de luz al girar en cualquiera de los dos sentidos, por lo que se pueden encauzar a fibras ópticas oportunamente colocadas.
TRANSMISIONES DE INFORMACIÓN A LA VELOCIDAD DE LA LUZ
Según Alexander Dreismann, miembro del equipo de Baumberg, “el interruptorpolaritón unifica propiedades de la electrónica y la fotónica en un dispositivo que puede trabajar a altas velocidades gastando muy poca energía”. La pega es que este prototipo solo funciona a temperaturas cercanas al cero absoluto. Por eso, no extraña que la noticia de la obtención de luz líquida a temperatura ambiente haya creado sensación entre los investigadores. Algunos pronostican que basándose en ella se podrán construir ordenadores ópticos diez mil veces más rápidos. Si no exageran, el futuro de la electrónica promete ser luminoso.