Física

Cualquier estudiante de física sabe desde sus primeras lecciones de óptica que la luz se mueve en línea recta, sin verse afectada por otros rayos de luz; los rayos de dos linternas no rebotan entre sí. Sin embargo, Martin Wimmer de la Universidad Friedrich Schiller de Jena (Alemania) y sus colegas han utilizado una técnica basada en la llamada dimensión sintética para crear pulsos de luz que interactúan y se comportan colectivamente como un superfluido [1]. Al hacerlo, han demostrado que se trata de una plataforma ajustable para explorar la interacción entre las interacciones de muchos cuerpos, la topología y la disipación, características que son fundamentales para muchos campos de la física.

Para comprender la dimensión sintética, que es crucial para estos experimentos, tenga en cuenta que una dimensión habitual del espacio se define a través de un conjunto de ubicaciones combinadas con una noción de "localidad": las partículas pueden interactuar y moverse sólo a ubicaciones cercanas. Las dimensiones sintéticas replican esta localidad utilizando grados de libertad no espaciales, lo que puede ofrecer una mayor flexibilidad para la ingeniería y la medición, en comparación con las dimensiones espaciales. Los investigadores han aprovechado previamente estos beneficios implementando dimensiones sintéticas en varias plataformas, que han utilizado para estudiar física interesante, incluido el acoplamiento de órbita de espín y una multitud de fenómenos topológicos [2, 3].

Para realizar una dimensión sintética de la luz, Wimmer y sus colegas utilizan una red de malla óptica: una configuración experimental en la que los tiempos de llegada de los pulsos de luz sirven como análogo de la posición (Fig. 1). En su experimento, el tiempo se divide en intervalos T, y cada intervalo representa un paso de tiempo discreto, t=1,2,…. Las posiciones discretas correspondientes a sitios en una red (x=…,−2,−1,0,−1,2,…) se asignan a esta secuencia de tiempo como subintervalos separados entre sí por Δt. Un pulso que llega a T representa la posición de la red x=0, por ejemplo, mientras que un pulso en T−Δt representa x=−1. Pasar de una posición de la red a otra (por ejemplo, de −1 a −2) corresponde a un cambio en el tiempo de llegada del pulso de luz con respecto a T (en este caso, de T−Δt a T−2Δt). Este proceso imita el movimiento en el espacio real: así como una partícula sólo puede moverse en el espacio pasando por puntos cercanos, su análoga en la dimensión sintética sólo puede moverse a sitios cercanos de la red.

Para implementar dicho movimiento en la dimensión sintética, los investigadores unen dos bucles de cable de fibra óptica de longitudes ligeramente diferentes mediante un divisor de haz. La luz se propaga alrededor del bucle corto en el tiempo T−Δt y alrededor del bucle largo en T+Δt. Por lo tanto, un pulso de luz en la posición sintética x y el paso de tiempo sintético t se desplazará a x−1 o x+1 en el paso de tiempo t+1 si pasa a través del bucle corto o largo, respectivamente. Después de que un pulso completa un bucle, el divisor de haz lo divide en dos partes iguales que continúan a través de ambos bucles.

Si bien este movimiento sintético no es en sí mismo muy interesante, el sistema físico específico en el que se realiza la dimensión sintética permite capacidades poderosas. Aquí, la respuesta dieléctrica no lineal de la fibra utilizada en el experimento produce un cambio de fase dependiente de la potencia, lo que significa que múltiples pulsos de luz interactúan cuando se superponen dentro de un bucle. Estas interacciones cambian el comportamiento del sistema de un gas ideal a uno con propiedades similares a las de un fluido. Las redes de malla óptica que exhiben tales interacciones luz-luz se han utilizado previamente para estudiar fenómenos como solitones [4, 5] y efectos topológicos no hermitianos [6-8], pero las propiedades de los fluidos que surgen de las interacciones y el movimiento, en particular, superfluidos. como el flujo, no se han observado hasta ahora.

Wimmer y sus colegas miden la velocidad del "sonido" en este fluido de luz, donde el sonido se refiere a ondas que se propagan en la dimensión sintética. Su técnica es similar a dejar caer una piedra en un estanque: al repeler parte del agua del estanque, la piedra provoca ondas que se propagan a la velocidad de las olas del agua. En este experimento, el "estanque" es un fluido aproximadamente homogéneo que abarca unos diez sitios sintéticos; la "piedra" es una fuerza repulsiva que los investigadores generan alrededor de un par de sitios en el centro del fluido. Esta fuerza repulsiva produce ondas de luz que se propagan hacia afuera en la dimensión sintética a la velocidad del sonido del superfluido de luz. Las mediciones de cómo se propagan las ondas concuerdan cualitativamente (con algunas desviaciones probablemente debidas a imperfecciones experimentales) con la teoría hidrodinámica. En concreto, la luz actúa como un superfluido que atraviesa los obstáculos sin disiparse.

Para explorar más a fondo las propiedades de este superfluido, Wimmer y sus colegas arrastran un "obstáculo" a través de él. Más precisamente, hacen oscilar la posición de un pozo de energía potencial localizado y miden la energía que éste deposita en el fluido. En un fluido ordinario, la energía se depositaría sea cual sea la velocidad del obstáculo, mientras que en un superfluido la disipación sólo se produce por encima de la llamada velocidad crítica. De hecho, los investigadores observan este comportamiento en su superfluido sintético: para oscilaciones suficientemente lentas, la energía potencial no cambia, mientras que para oscilaciones más rápidas que una tasa de oscilación crítica, la energía se transfiere al fluido. La amplia concordancia entre las velocidades críticas medidas y predichas confirma la interpretación superfluida.

Estos resultados demuestran las oportunidades que ofrece la ingeniería de interacciones de luz en redes de malla óptica. La fuerza de interacción sintonizable, junto con el control espacial y temporal de las energías potenciales y de la geometría reticular, hacen que esta plataforma sea extremadamente versátil. La física de superfluidos observada por Wimmer y sus colegas es un hermoso ejemplo de cómo se puede aprovechar esta versatilidad para hacer que la luz se comporte de una manera novedosa e interesante. En el futuro, se podrá utilizar una técnica similar para explorar estructuras de bandas no lineales, como colas de golondrina [9], la interacción del condensado con excitaciones térmicas y el comportamiento de los condensados ​​de Bose que interactúan en presencia de topología o disipación.

Una dirección intrigante (aunque más especulativa) sería extender estos experimentos al régimen cuántico, donde los fotones (cuantos individuales del campo luminoso) son relevantes. En este régimen, los experimentos podrían servir como simuladores cuánticos, capaces de imitar sistemas físicos que son intratables para las computadoras clásicas, o podrían generar estados cuánticos que podrían aprovecharse en dispositivos de detección que superan a cualquier dispositivo clásico. Si bien los desafíos técnicos para alcanzar el régimen cuántico son abrumadores, he observado a los experimentadores superar desafíos desalentadores una y otra vez. Cualquiera que sea la dirección que tomen los experimentos, los fluidos ópticos en dimensiones sintéticas de redes de malla óptica proporcionan fenómenos ricos para que los físicos los exploren.

Kaden Hazzard es profesor asociado de física en la Universidad Rice, Texas. Recibió su doctorado. en 2010 de la Universidad de Cornell, Nueva York, tras lo cual completó una beca postdoctoral en JILA, Colorado. Es un teórico interesado en los sistemas cuánticos de muchos cuerpos, especialmente en la materia ultrafría. Su grupo trabaja en el lugar de los sistemas ultrafríos, la materia condensada y la información cuántica. La investigación en curso incluye simulaciones cuánticas novedosas utilizando sistemas atómicos, moleculares y ópticos, dimensiones sintéticas, modelos con solución exacta y materia exótica. Para obtener más información, visite https://kaden.rice.edu/

Martin Wimmer, Monika Monika, Iacopo Carusotto, Ulf Peschel y Hannah M. Price

Física. Rev. Lett. 127, 163901 (2021)

Publicado el 11 de octubre de 2021

Los investigadores han creado nanogotitas de helio sin vórtices que contienen más átomos de helio que las gotitas anteriores de este tipo, lo que permite utilizar el sistema en una gama más amplia de estudios. Leer más "

La evidencia de una emisión de luz coherente procedente de excitones en una estructura material bidimensional podría inspirar nuevas aplicaciones de tecnología cuántica. Leer más "

Los investigadores utilizan dos nubes de vapor de rubidio para generar, almacenar y liberar simultáneamente dos fotones. Leer más "