Los fluidos permiten crear sistemas a escala de laboratorio que simulan objetos muy diversos, desde átomos a agujeros negros. Los experimentos con estos fluidos ofrecen información valiosa sobre procesos que pueden ser muy difíciles de estudiar directamente. El último ejemplo de este uso de los fluidos lo proporciona un equipo de investigación del Instituto Tecnológico de Massachusetts que ha demostrado que un análogo de este tipo puede mostrar un comportamiento que recuerda a la superradiación.

En óptica cuántica, la superradiación es un fenómeno que ocurre cuando un grupo de N emisores, átomos excitados, por ejemplo, interactúa con una luz monocromática, como la de un láser. Si la longitud de onda de la luz es mucho mayor que la separación entre los emisores, entonces los emisores interactúan con la luz de manera colectiva y coherente. Esto hace que el grupo emita luz como un pulso de alta intensidad, proporcional a N². Este es un resultado sorprendente, drásticamente diferente al caso de una longitud de onda menor que la separación, en el que la intensidad de la luz emitida es proporcional a N.

La superradiación no solo ocurre a nivel atómico. En 1969 Roger Penrose describió un proceso por el que se puede extraer la energía rotacional de un agujero negro. Un objeto cercano al horizonte de sucesos del agujero negro se divide en dos partículas. Una, con energía negativa, cae al agujero negro, haciendo que la velocidad de rotación de este disminuya. La otra, con energía positiva, escapa. El resultado neto es que se ha extraído energía a costa de la energía rotacional del agujero negro.

La superradiación en teoría general de la relatividad sería el equivalente al proceso Penrose pero con ondas. Así, en las ondas electromagnéticas o gravitacionales que se acercan a un agujero negro que rota es posible que, para algunas frecuencias, parte de la onda, con energía negativa, sea absorbida por el agujero negro, con el resultado de que la parte de la onda no absorbida tenga mayor energía e intensidad que la onda incidente.

La superradiación como fenómeno colectivo de emisión de luz tiene tanto interés fundamental como práctico. Se le pueden encontrar aplicaciones en varios campos, incluida la criptografía y la información cuántica.

El equipo ha conseguido ahora un comportamiento similar al de la superradiación en un baño líquido con vibración vertical que contenía dos pozos circulares. Un aumento en la fuerza vibratoria hizo que la superficie líquida inicialmente plana se desestabilizara en un patrón de ondas. Un aumento adicional en la fuerza resultó en la ruptura de estas ondas y la emisión de gotas de los dos pozos. El equipo descubrió que la tasa de emisión era más alta que la de dos pozos aislados y oscilaba a medida que variaba la distancia entre los pozos. Por lo tanto, este efecto hidrodinámico captura las características clave de la superradiación en los sistemas ópticos. Este simulador físico podría proporcionar una plataforma para explorar versiones hidrodinámicas de otros fenómenos superradiativos de emisión de partículas.

Referencias:

V. Frumkin et al. (2023) Superradiant droplet emission from parametrically excited cavities Phys. Rev. Lett. doi: 10.1103/PhysRevLett.130.064002.

Ryan Wilkinson (2023) A Hydrodynamic Version of Superradiance Physics 16, s16

Sobre el autor: César Tomé López es divulgador científico y editor de Mapping Ignorance