El concepto demostrado podría tener potenciales aplicaciones en el campo de la atomtrónica, la disciplina que busca emular a la electrónica sustituyendo electrones por átomos fríos
Investigadores de la Universidad Complutense de Madrid (UCM) han dado un paso más en el campo de la gravedad analógica, la simulación de fenómenos gravitacionales utilizando experimentos realizables en el laboratorio.
En el marco del estudio de la radiación de Hawking – la radiación espontáneamente emitida por el horizonte de sucesos de un agujero negro– los físicos Juan Ramón Muñoz de Nova y Fernando Sols han empleado un modelo teórico basado en un condensado de Bose-Einstein - un gas de átomos fríos cerca del cero absoluto de temperatura en el mismo estado cuántico- para estudiar dos fenómenos: el láser de agujero negro (LAN) y la radiación de Bogoliubov-Cherenkov-Landau (BCL).
El LAN aparece en un agujero negro con dos horizontes de sucesos, uno interno y otro externo, donde la radiación de Hawking se autoestimula debido a sucesivas reflexiones entre ambos, comportándose como los espejos de una cavidad láser y volviendo el sistema inestable.
La radiación BCL es emitida cuando una perturbación se mueve a velocidades supersónicas en un condensado, en analogía con la radiación de Cherenkov, responsable del característico brillo azul observado en reactores nucleares como resultado del paso de electrones de alta energía por el agua a mayor velocidad que la de la luz en dicho medio.
“El principal resultado de nuestro trabajo es que demostramos que un agujero negro puede llegar a comportarse como un amplificador cuántico, un concepto con potenciales aplicaciones en transporte cuántico y atomtrónica (el análogo de la electrónica que pretende usar átomos fríos en vez de electrones)”, señala Juan Ramón Muñoz de Nova, investigador del Departamento de Física de Materiales de la UCM.
Un chupachups para entender la transición LAN-BCL
Para llegar a esa conclusión, publicada en Physical Review Research, los físicos han empleado un modelo sencillo, un péndulo invertido, que comparan con un chupachups puesto de pie. Controlando la cantidad de radiación de BCL, los investigadores han estudiado la transición LAN-BCL, distinguiendo tres regímenes: LAN cuántico, LAN clásico y BCL.
“El chupachups puesto de pie está en un equilibrio inestable y cualquier pequeña perturbación hará que se caiga. En esta analogía, la gravedad es el LAN y las perturbaciones externas serían la radiación BCL”, señala Muñoz de Nova.
El equilibrio inestable del chupachups de pie siempre colapsa cuánticamente porque el principio de indeterminación de Heisenberg impide tener posición y velocidad bien definidas a la vez (que el chupachups estuviese de pie y quieto), cayéndose por la gravedad. Esto es análogo a un LAN cuántico.
Un LAN clásico correspondería a perturbar ligeramente (BCL) el chupachups y que este se caiga solo por la acción de la gravedad (LAN). Finalmente, el régimen BCL sería el equivalente de agarrarlo con la mano y abatirlo contra la mesa, donde la gravedad no desempeña ningún papel.
De esta forma, el régimen de LAN cuántico es un amplificador cuántico no-lineal, incrementando las fluctuaciones cuánticas iniciales, por pequeñas que estas sean, hasta la saturación (en la analogía, cuando el chupachups golpea la mesa).
En el LAN clásico, es una pequeña cantidad de radiación BCL la que estimula la inestabilidad del LAN, dando lugar a una trayectoria clásica determinista para la caída del chupachups. Sin embargo, el efecto láser también amplifica las fluctuaciones cuánticas alrededor de dicha trayectoria, dando lugar a un amplificador cuántico lineal donde las fluctuaciones cuánticas en la saturación son proporcionales a las iniciales. En el último caso, toda la dinámica es dominada por la radiación BCL, que ensombrece el LAN, disminuyendo exponencialmente el efecto de amplificación.
El siguiente paso del estudio, desde el punto de vista experimental, sería extender los resultados de este trabajo para diseñar una configuración que permita observar de manera inequívoca el láser de agujero negro, la siguiente gran meta de la gravedad analógica.
Referencia bibliográfica: Juan Ramón Muñoz de Nova y Fernando Sols. Black-hole laser to Bogoliubov-Cherenkov-Landau crossover: From nonlinear to linear quantum amplification. Physical Review Research. Diciembre 2023. DOI: 10.1103/PhysRevResearch.5.043282.
Fotografía de portada: Alexander Beker. / Shutterstock.
