Describir diferentes sistemas usando la misma ley fundamental es una idea antigua. A principios del siglo XVIII, por ejemplo, el matemático francés Évariste Galois dio a luz a la teoría de grupos, que es una parte importante de las matemáticas pero que también ha encontrado aplicaciones concretas en la física y la química. En física estadística, otras herramientas matemáticas llamadas clases de universalidad pueden describir sistemas con las mismas características macroscópicas, aunque los detalles microscópicos de estos sistemas pueden ser muy diferentes. Algunas clases de universalidad usan solo unos pocos parámetros para describir sistemas compuestos por una gran cantidad de partículas en equilibrio térmico.
Sin embargo, la mayoría de los sistemas en la naturaleza no están en equilibrio. En 1986, Mehran Kardar, Giorgio Parisi y Yi-Cheng Zhang derivaron la ecuación Kardar-Parisi-Zhang (KPZ). Este avance creó la clase de universalidad KPZ, que describe la dinámica de una amplia gama de interfaces. Estos incluyen superficies cristalinas, frentes de incendios forestales y escarcha en una ventana. Estos son sistemas que se expanden y contraen de manera aleatoria y por lo tanto se clasifican como sistemas fuera de equilibrio.
Ahora, Sylvain Ravets y Jacqueline Bloch en la Université Paris-Saclay de Francia y un equipo internacional de colaboradores han realizado un experimento que muestra que los condensados polaritónicos de Bose-Einstein (BEC) podrían proporcionar una plataforma ajustable para estudiar la clase de universalidad KPZ y su rica física. Reportan sus resultados en Naturaleza.
Cuasipartícula de luz y materia
Excitón-polaritones: a menudo llamados simplemente polaritones – son cuasipartículas que surgen del acoplamiento entre fotones y pares electrón-hueco, que a su vez se denominan excitones. En su experimento, el equipo usó un láser para emitir fotones que están confinados dentro de una microcavidad de Fabry-Perot. Este está compuesto por dos reflectores Bragg distribuidos como se muestra en la figura. Los fotones son absorbidos por pozos cuánticos de semiconductores que están incrustados en la cavidad, creando excitones. Luego, los excitones se aniquilan por recombinación de huecos de electrones y crean fotones nuevamente. Esto da lugar a polaritones si el proceso ocurre varias veces antes de que los fotones escapen de la cavidad.
Una propiedad importante de los polaritones es que son bosones y, por lo tanto, no están sujetos al principio de exclusión de Pauli. Por lo tanto, es posible crear un BEC polaritónico, que se compone de un número macroscópico de cuasipartículas en un solo estado cuántico. En comparación con los BEC hechos de gases atómicos, que deben enfriarse a temperaturas inferiores al microkelvin, los condensados polaritónicos se pueden crear normalmente a temperaturas de unos pocos kelvin, y en ocasiones a temperatura ambiente, según los semiconductores utilizados. Otra diferencia importante entre los BEC atómicos y polaritónicos es que los BEC atómicos están en equilibrio térmico, mientras que los BEC polaritónicos son sistemas fuera de equilibrio. De hecho, para mantener un condensado polaritónico, los científicos deben excitar continuamente la cavidad con un láser para estabilizar la cantidad de fotones que entran y salen del sistema.
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La ecuación KPZ se utilizó por primera vez para describir la dinámica fortuita de los sistemas fuera de equilibrio, como la interfaz de colonias bacterianas en expansión. De hecho, se ha demostrado que casi todas las interfaces en crecimiento caen en la clase de universalidad KPZ. Ravets, Bloch y sus colegas midieron la fase de sus BEC polaritónicos y demostraron que cae en la clase de universalidad KPZ. Esto confirma una predicción que se hizo en 2015. Más precisamente, han demostrado, utilizando interferometría óptica, que el decaimiento de la fase de un condensado de polaritón 1D sigue la ley de escala KPZ, tanto numérica como experimentalmente.
"Más allá de 1D, las redes de excitón-polaritón ofrecen perspectivas emocionantes para la exploración de la física KPZ en 2D, donde una realización experimental es muy buscada", escribe el equipo en Naturaleza. Además, los experimentos polaritónicos se pueden controlar con precisión, lo que significa que su investigación allana el camino para una plataforma polaritónica sintonizable para estudiar varios sistemas cuánticos fuera de equilibrio que pertenecen a la KPZ y otras clases de universalidad.
