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Físicos dicen que crearon un dispositivo que genera “masa negativa”

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Físicos han creado lo que dicen ser el primer dispositivo que es capaz de generar partículas que se comportan como si tuvieran masa negativa. El dispositivo genera una partícula extraña que es mitad-luz / mitad-materia, y como si eso no fuera suficiente, también podría ser la base de un nuevo tipo de láser que podría funcionar con mucha menos energía que las tecnologías actuales.

Esto se basa en el trabajo teórico reciente sobre el comportamiento de algo llamado polaritón, que parece comportarse como si tuviera masa negativa: una propiedad alucinante que ve a los objetos moverse hacia la fuerza que la empuja, en lugar de empujarlos. Ahora, físicos de la Universidad de Rochester han creado un dispositivo que les permite crear estos polaritones a temperatura ambiente.

Lo hacen manipulando fotones capturados y combinándolos con una especie de cuasi-partícula llamada excitón para hacer algo mitad-luz / mitad-materia que algunos científicos llaman cariñosamente ‘polvo mágico’. Esto solo es “interesante y emocionante desde una perspectiva física”, dice el físico cuántico Nick Vamivakas del Instituto de Óptica de Rochester.

“Pero también resulta que el dispositivo que hemos creado presenta una forma de generar luz láser con una cantidad de energía incrementalmente pequeña”. Antes de quedar atrapados en los láseres, primero vamos a descomprimir exactamente lo que es este polariton de “polvo mágico”. Como dijimos antes, crear un polariton implica combinar un fotón con una cuasi-partícula conocida como excitón.

Los físicos nos hablan de la fuerza de Coulomb

Si hubiera una orquesta para partículas, habría secciones para cosas como electrones, quarks y fotones. Estrictamente hablando, las cuasipartículas no calificarían para una sección propia. En su lugar, se forman fuera del comportamiento colectivo de otras partículas, como una armonía de clarinetes y flautas. Como actúan como objetos discretos, parecidos a partículas, a menudo sirven para el mismo propósito.

La cuasi-partícula en cuestión se llama excitón y es un electrón más un tipo de hueco llamado agujero de electrón. La pareja está unida por algo llamado fuerza de Coulomb, a menudo cuando la luz interactúa con ciertos materiales. En el caso de este estudio, ese material resulta ser un semiconductor atómico delgado hecho de diseleniuro de molibdeno.

Los investigadores conectaron el semiconductor con una microcavidad óptica, una pequeña sala de espejos utilizada para confinar una frecuencia particular de luz a una onda estacionaria. Esto combina la identidad del excitón con una onda de luz permanente para formar un polaritón. Tales cuasi-partículas no son exactamente nuevas. Pero de acuerdo con los investigadores, la mayoría del trabajo de polarización hasta ahora solo se ha realizado en cuasipartículas hechas de excitones y fotones neutros, y no en otros complejos.

Interacciones asombrosas

Este nuevo dispositivo ha permitido a los investigadores probar las interacciones entre diferentes tipos de polaritones. Y resulta que son increíblemente raros. “Al hacer que un excitón ceda parte de su identidad a un fotón para crear un polaritón, terminamos con un objeto que tiene una masa negativa asociada a él”, dice Vamivakas.

La masa negativa es un concepto difícil de entender, pero es importante considerar el trabajo en contexto. La masa a menudo se observa como una resistencia o respuesta a una fuerza. Es más difícil empujar y detener una bola de boliche que una canica. Un objeto que se comporta como si tuviera masa negativa, como polaritones en estas circunstancias, se comportará de forma inesperada.

“Es algo sobre lo que pensar, porque si tratas de empujar o tirar, irá en la dirección opuesta a lo que tu intuición te diría”, dice Vamivakas. Eso podría tener algunas aplicaciones bastante interesantes, una de las cuales es la emisión estimulada de radiación electromagnética. Algo que comúnmente entendemos como lo que hace que los fotones se alineen en un láser.

Una gran noticia en el mundo de la física de los últimos años

“Con los polaritones que hemos creado con este dispositivo, la prescripción para hacer funcionar un láser es completamente diferente”, dice Vamivakas. Al mostrar las características de tener masa negativa, los polaritones podrían ayudar a crear láseres con un aporte de energía mucho menor. Las cuasipartículas han sido una gran noticia en otras áreas de la física de partículas en los últimos años, mostrando potencial en otras tecnologías como la computación cuántica.

Los físicos incluso han comenzado a considerar si este “polvo mágico” de luz y materia podría usarse como la base de un tipo de supercomputador radicalmente nuevo. Puede que no sean miembros portadores de cartas de la comunidad de partículas, pero las cuasipartículas son definitivamente lo suficientemente raras como para que podamos comenzar a prestarles más atención.

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