La condensación de Bose-Einstein ocurre cuando un gas de átomos se enfría hasta que la longitud de onda de De Broglie de los átomos se vuelve comparable a la distancia entre ellos. Luego, los átomos colapsan en el mismo estado fundamental cuántico y, por lo tanto, pueden describirse mediante la misma función de onda. El fenómeno fue predicho hace casi un siglo por Albert Einstein y Satyendra Nath Bose, y los investigadores crearon el primer condensado de este tipo en 1995 con átomos de rubidio.

Desde entonces, Condensados ​​de Bose-Einstein (BEC) también se han observado en polaritones, fotones y magnones, por nombrar solo tres sistemas. Un equipo de investigadores de la Universidad Aalto en Finlandia ha logrado crear el primer BEC de luz acoplado con polaritones de plasmones de superficie (las oscilaciones colectivas similares a partículas que ocurren cuando la luz interactúa con los electrones de conducción de un metal).

El nuevo condensado es muy diferente

“Observar un nuevo tipo de condensado como este es importante ya que empujará los límites del fenómeno BEC y abrirá el camino para nuevas aplicaciones tecnológicas”, dice el líder del equipo. Päivi Törmä. Polaritones de plasmones superficiales, por ejemplo, se espera que desempeñen un papel importante en los futuros dispositivos fotónicos que utilizarían luz en lugar de electricidad para procesar información. Dichos dispositivos deberían ser mucho más rápidos y usar menos energía que sus contrapartes electrónicas.

El nuevo condensado es muy diferente de la mayoría de los fabricados anteriormente, ya que puede formarse a temperatura ambiente en lugar de a temperaturas cercanas a cero. También aparece extremadamente rápido, en la escala de tiempo de picosegundos, y se basa en una red de nanopartículas en el chip, fácil de fabricar, cuya geometría se puede ajustar fácilmente para modificar las propiedades del condensado.

Matriz periódica de nanopartículas de oro

Para hacer su red, Törmä y sus colegas comienzan fabricando una matriz periódica de nanopartículas de oro en un portaobjetos de vidrio, utilizando técnicas de nanofabricación como la litografía por haz de electrones. Las partículas están separadas por alrededor de 580 a 610 nm y la matriz es de 100 x 300 μm² en tamaño. Luego superponen la matriz con una solución que contiene moléculas de tinte.

“Usando un láser de femtosegundo, luego 'bombeamos' las moléculas en un punto ubicado en un extremo de la matriz”, explica Törmä. “Luego, las moléculas emiten luz y, por lo tanto, excitan los modos plasmónicos de la red, es decir, crean esas partículas que luego se condensarán. Estas partículas son en su mayoría fotones, pero también contienen oscilaciones de plasma de electrones en las nanopartículas de oro”.

Seguimiento de cómo se forma el condensado

“Las partículas comienzan a propagarse desde el final de la matriz e interactúan con las moléculas de colorante mediante la absorción y emisión de luz”, explica. nanotechweb.org. “Entre la absorción y la emisión, las moléculas pierden parte de su energía debido a las vibraciones y, por lo tanto, la energía de la luz disminuye en cada ciclo de absorción-emisión. Al monitorear la frecuencia de la luz emitida cuando las partículas se propagan en la matriz, podemos observar cómo se forma el condensado”.

De hecho, el condensado se forma cuando se alcanza el estado de energía más bajo posible en la red (el llamado borde de la banda), explica. “Al monitorear la luz emitida a medida que se propaga a lo largo de la red, podemos rastrear cómo se forma el condensado con el tiempo. Esta propagación sería extremadamente difícil de monitorear usando otras técnicas, ya que ocurre muy rápido, en solo un picosegundo”.

¿Lasing o BEC?

Al alterar la distancia entre las nanopartículas de oro en la red, los investigadores dicen que pueden controlar si se produce condensación BEC o láser ordinario. “Los dos fenómenos son similares y estudiar el cruce entre ellos nos ayudará a comprender mejor cómo se relacionan y cómo se diferencian”, dice Törmä. “Tanto el láser como el BEC producen haces de luz brillantes, pero las coherencias de la luz que ofrecen tienen diferentes propiedades, lo que significa que pueden usarse en diferentes aplicaciones. El nuevo condensado puede producir pulsos de luz que son extremadamente cortos y, por lo tanto, puede ofrecer una velocidad más rápida para el procesamiento de información y las aplicaciones de imágenes.

“Además de analizar tales aplicaciones, también intentaremos aumentar la cantidad de moléculas de tinte en nuestro sistema para que tengamos un fuerte acoplamiento entre ellas y los modos plasmónicos, y ver cómo esto afecta a BEC”, agrega.

La presente investigación se detalla en Física de la naturaleza 10.1038/s41567-018-0109-9.