Cuando la física cuántica se parece a una red social: los fotones siguen al grupo

Un nuevo experimento revela que los fotones no siempre actúan por separado: cuando se reúnen en número suficiente, eligen colectivamente un estado energético, lo que podría transformar el desarrollo de láseres y tecnologías cuánticas.

Publicado por Eugenio M. Fernández Aguilar

Físico, escritor y divulgador científico. Director de Muy Interesante Digital

Una cafetería llena suele ser más atractiva que una vacía. Aunque el café sea el mismo, algo nos empuja a sentarnos donde ya hay otros. Esta lógica social parece exclusiva de los humanos, pero un grupo de físicos en Alemania ha descubierto que los fotones, esas partículas de luz que asociamos con la física más fría y matemática, también exhiben una conducta sorprendentemente parecida: prefieren “agruparse” cuando detectan que otros lo han hecho antes.

La investigación, realizada por el equipo del profesor Martin Weitz en la Universidad de Bonn, ha mostrado que los fotones no tienden a organizarse colectivamente hasta que no hay suficientes en juego. Una vez superado cierto umbral, se comportan como si buscaran compañía, optando por un estado energético que ya está siendo ocupado por más partículas. Este comportamiento fue descrito de forma detallada en el artículo “Thermodynamics and State Preparation in a Two-State System of Light”, publicado en Physical Review Letters, y podría abrir puertas a nuevas tecnologías en el diseño de láseres más potentes y sistemas cuánticos controlados.

El experimento: fotones atrapados y con opciones limitadas

En condiciones normales, los fotones se propagan libremente. Pero en este experimento fueron encerrados en una microcavidad óptica, un espacio diminuto lleno de una solución de colorante especial. Allí, podían elegir entre dos niveles de energía casi idénticos, lo que equivale a decir que podían adoptar dos “colores” ligeramente distintos.

Para generar esta configuración, el equipo empleó una cavidad formada por espejos, uno de ellos modificado con una superficie que generaba un potencial de doble pozo. Es decir, los fotones tenían dos “lugares” a los que podían acudir, cada uno asociado a una energía ligeramente distinta. Como señala el artículo original, “la división energética entre los dos modos es dos órdenes de magnitud menor que la energía térmica”. Esto quiere decir que, en principio, no habría razones fuertes para que los fotones prefirieran uno sobre el otro.

Sin embargo, cuando el número de fotones aumentaba, algo cambiaba: empezaban a agruparse de manera preferencial en el estado de menor energía. Es decir, se producía un efecto colectivo que no se observa cuando hay solo unos pocos fotones en juego. Este fenómeno no se debe a una interacción directa entre partículas, ya que los fotones no interactúan entre sí como lo hacen otras partículas. Más bien, se trata de un efecto emergente derivado de su naturaleza estadística como bosones.

Los fotones atrapados en una microcavidad óptica se comportan como un sistema de dos niveles, alternando entre estados energéticos en un doble pozo de potencial. Fuente: Physical Review Letters

De la aleatoriedad a la preferencia: cómo se impone el grupo

Durante las primeras etapas del experimento, los fotones se distribuían casi por igual entre los dos niveles disponibles. Pero una vez que el número total aumentaba, la mayoría comenzaba a elegir el estado que ya tenía más ocupantes. Esta transición, según los datos, ocurre de forma progresiva, no abrupta. A diferencia de una condensación de Bose-Einstein, que puede presentar una transición clara de fase, en este caso se observa un cambio suave, un fenómeno denominado crossover.

Según el artículo, “para números de partícula N mucho menores que un número característico Nc, el resultado de la distribución de población es igual entre los dos estados cuánticos”. Pero cuando N supera a Nc, el estado excitado se satura y el estado base acumula la mayoría de los fotones.

En números concretos, ese umbral crítico fue de unos 250 fotones. A partir de ahí, más del 90% de las partículas preferían el estado de menor energía, lo que los autores atribuyen a “la estimulación bosónica impuesta por la estadística cuántica”. Este término se refiere al hecho de que los bosones, a diferencia de los fermiones, tienden a ocupar todos el mismo estado cuando pueden, una propiedad que también da lugar a fenómenos como los láseres o los condensados de Bose-Einstein.

Implicaciones para la física cuántica y la tecnología

Este resultado no es solo una curiosidad cuántica. Tiene consecuencias reales para el diseño de nuevas fuentes de luz coherente, como láseres más potentes o más estables. Para que diferentes fuentes de láser se sumen correctamente, sus ondas deben estar “en fase”, es decir, perfectamente sincronizadas. Si no lo están, pueden interferirse negativamente y anularse entre sí.

El experimento sugiere que esta sincronización podría lograrse de forma más natural aprovechando la “afinidad grupal” de los fotones. Como señala el artículo de prensa basado en el estudio, la propensión de los fotones a elegir el estado más poblado puede facilitar esa coherencia colectiva sin necesidad de ajustes externos extremos.

Además, el sistema desarrollado permite controlar la “preparación del estado”, una capacidad clave en tecnologías emergentes como la computación cuántica. Preparar un sistema en un estado bien definido es esencial para ejecutar algoritmos cuánticos, y este experimento demuestra que es posible hacerlo en sistemas de luz, no solo en átomos o partículas de materia.

A medida que aumenta el número de fotones en la cavidad, se observa una clara preferencia por el estado base, que pasa a concentrar la mayor parte de la población luminosa. Fuente: Physical Review Letters

Un modelo experimental elegante y versátil

Otro aspecto destacado del trabajo es la simplicidad relativa de su implementación experimental, al menos en comparación con otras plataformas cuánticas. Utilizando una microcavidad óptica rellena de colorante y espejos con formas cuidadosamente diseñadas, el equipo logró crear un sistema controlado donde la dinámica de los fotones podía seguirse en tiempo real.

En una de las fases del experimento, incluso observaron oscilaciones de Josephson, un fenómeno en el que partículas cuánticas “saltan” de un lado a otro de un potencial doble. Esto demuestra que, además de ver el resultado térmico final, es posible observar el comportamiento dinámico de los fotones, incluyendo su coherencia y su evolución en el tiempo.

Este tipo de control preciso es muy buscado en física cuántica, especialmente en campos como la termodinámica cuántica o la simulación de modelos complejos, como el famoso modelo spin-bosón.

Una física social sin redes ni emociones

Que los fotones no tengan conciencia no impide que actúen como si tuvieran en cuenta lo que hacen los demás. Este fenómeno, lejos de ser anecdótico, se basa en leyes estadísticas muy bien conocidas, como la distribución de Bose-Einstein. Pero verlas actuar en un sistema tan reducido y con solo dos posibles estados —algo tan simple como elegir entre dos opciones casi idénticas— da un nuevo significado a lo que llamamos “comportamiento colectivo”.

La investigación también muestra cómo conceptos de la termodinámica clásica pueden trasladarse al mundo cuántico de la luz. En este contexto, hablar de “temperatura”, “energía libre” o “estado de equilibrio” no es una analogía, sino un marco riguroso que permite describir el comportamiento de sistemas que, a simple vista, parecen muy alejados del calor y la materia.