Un sistema compuesto por solo un puñado de partículas actúa como sistemas más grandes, lo que permite a los científicos estudiar el comportamiento cuántico más fácilmente.
La mayoría de las sustancias que los físicos estudian están compuestas por un gran número de partículas, tan grandes que esencialmente no hay diferencia entre las propiedades conductuales de una gota o el valor de agua pura de una piscina. Incluso una sola gota puede contener más de un cuatrillón de partículas.
Esto hace que la comprensión de su comportamiento colectivo sea relativamente fácil. Por ejemplo, tanto el agua en la gota como en la piscina se congelarán a 0 grados Celsius y hervirán a 100 grados.
Tales "transiciones de fase" (es decir, de líquido a sólido o de líquido a gas) pueden parecer abruptas en estos sistemas grandes, porque están implicadas tantas partículas que todas parecen actuar a la vez. Pero, ¿qué pasa en sistemas mucho más pequeños? Cuando solo hay un puñado de partículas, ¿se aplican las mismas reglas de transición de fase?
Para responder a estas preguntas, un equipo de científicos del Imperial College de Londres, la Universidad de Oxford y el Instituto de Tecnología de Karlsruhe, Alemania, crearon un sistema de menos de 10 fotones, las partículas fundamentales de la luz. Los resultados de sus experimentos, publicados en 'Nature Physics', muestran que las transiciones de fase todavía ocurren en sistemas formados por un mínimo de siete partículas en promedio.
Estudiar el comportamiento cuántico de las partículas es mucho más fácil con menos partículas, por lo que el hecho de que las transiciones de fase ocurran en estos sistemas pequeños significa que los científicos pueden estudiar mejor las propiedades cuánticas, como la coherencia.
"Ahora que se ha confirmado que la 'transición de fase' sigue siendo un concepto útil en sistemas tan pequeños, podemos explorar propiedades de maneras que no serían posibles en grandes sistemas --asegura el autor principal, el Dr. Robert Nyman, del Departamento de Física de Imperial--. En particular, podemos estudiar las propiedades cuánticas de la materia y la luz, lo que sucede a la escala más pequeña cuando se producen transiciones de fase".
El sistema que el equipo estudió fue un condensado de Bose-Einstein (BEC) de fotones. Los BEC se forman cuando un gas de partículas cuánticas está tan frío o tan cerca que ya no se pueden distinguir. Un BEC es un estado de la materia que tiene propiedades muy diferentes de los sólidos, líquidos, gases o plasmas.
El equipo descubrió que al agregar fotones al sistema, se producía una transición de fase a BEC una vez que el sistema alcanzaba alrededor de siete fotones, menos que en cualquier otro BEC visto anteriormente. Al ser tan pequeño, la transición fue menos abrupta que en sistemas más grandes como piscinas de agua, pero el hecho de que la transición se produjo en un punto predecible refleja bien los sistemas más grandes.
El sistema fue creado con un aparato simple: algunos colorantes fluorescentes y espejos curvos. Esto significa que además de ser útil en el estudio de las propiedades cuánticas, el sistema podría usarse para crear y manipular estados especiales de luz.
"Con lo mejor de dos mundos distintos: la física de las transiciones de fase y el acceso a sistemas pequeños, esta inusual fuente de luz tiene aplicaciones potenciales en medición o detección", concluye el coautor Florian Mintert, del Departamento de Física de Imperial.
