Comportamiento emergente observado en uno mismo

Sep 25, 2023

18 de enero de 2023

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por Sam Sholtis, Universidad Estatal de Pensilvania

Las partículas de luz (fotones) que se ven obligadas a interactuar entre sí a través de un vidrio especialmente estructurado demuestran un comportamiento que evoca el "efecto Hall cuántico fraccional", un fenómeno que le valió el Premio Nobel de física en 1998 cuando se demostró con electrones. Un equipo de investigadores de Penn State ha demostrado ahora que el movimiento de la luz de un láser extremadamente potente se "fracciona" a medida que atraviesa el vidrio, una propiedad emergente que se suma a nuestra comprensión fundamental de la física que surge de entornos complejos.

"Los electrones son partículas cargadas y su carga es una constante fundamental de la naturaleza", dijo Mikael Rechtsman, profesor asociado de física en Penn State y líder del equipo de investigación. "En el efecto Hall cuántico fraccional, se demostró que los electrones que interactúan entre sí bajo ciertas condiciones se comportan como partículas con una fracción de esa carga y pueden usarse potencialmente para una computación cuántica más robusta. Ahora hemos demostrado un fenómeno que, aunque fundamentalmente distinta de la versión electrónica, sugiere que puede ocurrir un tipo diferente de fraccionamiento con la luz que interactúa consigo misma".

A diferencia de los electrones, los fotones normalmente no interactúan entre sí porque no tienen carga. Sin embargo, si tiene un láser lo suficientemente fuerte y lo pasa a través de un material que responde a ese poder, los fotones se comportan como si estuvieran interactuando, ya que el material interacciona efectivamente entre ellos. En otras palabras, los fotones se influyen entre sí al influir en el material. Los investigadores diseñan el material, vidrio especializado con una serie de "guías de ondas" de estructura compleja que lo atraviesan como fibras ópticas, de modo que los fotones se agrupan en objetos llamados "solitones".

"Normalmente, la luz de un láser se propaga, o se difracta, desde su fuente, pero los solitones no se difractan", dijo Rechtsman. "Se propagan hacia adelante a través del vidrio a algo así como la velocidad de la luz manteniendo un ancho fijo".

Las guías de ondas se crean con unidades repetitivas en dos dimensiones. Primero, cada guía de ondas individual, que es similar a una fibra óptica, se mueve a través del vidrio en un patrón de zigzag que se repite periódicamente a lo largo de la dirección de la luz que viaja. En segundo lugar, grupos de estas fibras que son idénticas entre sí se repiten a través del vidrio a ambos lados del rayo láser.

En trabajos previos con un láser de potencia comparativamente baja, los investigadores demostraron que a medida que los solitones se propagaban a través del vidrio, podían saltar a través del patrón de las guías de ondas en múltiplos de números enteros. Podrían moverse dos unidades hacia la derecha y avanzar una unidad, lo que sería un cambio de dos sobre uno, o "dos positivos". O, por ejemplo, podían saltar a la izquierda una unidad y adelantar una unidad por un cambio de "uno negativo", pero el cambio siempre era un número entero.

"Ahora, al aumentar la potencia del láser, estamos viendo cambios fraccionarios", dijo Rechtsman. "Entonces, el solitón podría moverse una unidad mientras avanza dos, un cambio de uno sobre dos, o la mitad. Lo interesante es que, aunque los electrones y los fotones son partículas completamente diferentes y las propiedades que estamos midiendo son completamente diferentes , en ambos casos, a medida que forzamos a las partículas a interactuar cada vez con más fuerza, vemos fraccionamiento. Desafortunadamente, saber esto no va a mejorar automáticamente los cables de fibra óptica, pero ver esta propiedad emergente a la luz, que recuerda a la propiedad emergente vista en electrones, nos está ayudando a comprender mejor los nuevos fenómenos emergentes en entornos físicos complejos".

Un artículo que describe los experimentos aparece el 12 de enero en la revista Nature Physics.

Más información: Marius Jürgensen et al, Bombeo de solitones fraccional de Thouless cuantificado, Nature Physics (2023). DOI: 10.1038/s41567-022-01871-x

Información del diario:Física de la naturaleza

Proporcionado por la Universidad Estatal de Pensilvania