Cuando la luz interactúa con la materia, por ejemplo, cuando un rayo láser golpea un material bidimensional como el grafeno, puede cambiar sustancialmente el comportamiento del material. Dependiendo de la forma de interacción entre la luz y la materia, algunas reacciones químicas aparecen de manera diferente, las sustancias se vuelven magnéticas o ferroeléctricas o comienzan a conducir electricidad sin pérdidas. En casos particularmente emocionantes, una fuente de luz real puede que ni siquiera sea necesaria porque la mera posibilidad de que exista luz, es decir., su equivalente cuántico, los fotones, puede cambiar el comportamiento de la materia. Los científicos teóricos intentan describir y predecir estos fascinantes fenómenos porque podrían ser cruciales en el desarrollo de nuevas tecnologías cuánticas.

Sin embargo, calcular las interacciones cuánticas de luz y materia no solo consume una enorme cantidad de tiempo y potencia de cálculo, sino que también se vuelve muy engorroso. Describir la fuerte interacción entre un material realista con fotones consume fácilmente miles de euros. Ahora, los científicos del Departamento de Teoría del Instituto Max Planck para la Estructura y Dinámica de la Materia (MPSD) en Hamburgo han encontrado una manera de simplificar algunos de estos cálculos. Su trabajo, ahora publicado en PNAS , proporciona un paso significativo hacia la integración de la naturaleza cuántica de la luz en los dispositivos modernos.

"Imagina que te dan un conjunto de ladrillos de construcción para construir un modelo de la famosa Puerta de Berlín, "dice Christian Schäfer, autor principal del estudio. "Intuitivamente, comenzamos a colocar las piedras una encima de la otra para que se parezcan a la forma de la puerta, pero con cada piedra, la construcción se vuelve más inestable y cara. Similar, porque a veces tenemos que considerar muchos cientos de fotones, Nuestros cálculos pueden volverse abrumadoramente complejos y el costo de nuestras predicciones teóricas aumenta rápidamente. De hecho, este costo es tan prohibitivo que predecir la interacción completa entre muchos fotones y moléculas realistas es de facto imposible de calcular, incluso en las supercomputadoras más rápidas y más grandes que existen ".

Ahora, el equipo de MPSD, con sede en el Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) en Hamburgo, ha encontrado una forma sencilla pero brillante de eludir este problema. Al remodelar la ecuación de modo que la parte material en sí tenga en cuenta la incertidumbre de la mecánica cuántica de la luz, se necesitan muchos menos fotones adicionales para describir el sistema combinado de luz cuántica y materia.

"En efecto, construimos la Puerta de Berlín tallándola desde la primera piedra para llegar aproximadamente al mismo resultado, ", explica Schäfer. Esto nos permite describir la interacción cuántica entre la luz y la materia con muy poco costo adicional en comparación con solo considerar el material".

Para tomar un ejemplo, cuando la interacción entre la luz y la materia se vuelve tan fuerte que ambos sistemas se vuelven verdaderamente entrelazados, cada posible configuración del campo de luz puede exigir la consideración de cientos de fotones. El nuevo enfoque puede capturar la mayoría de las características de este límite extremo sin la necesidad de considerar ningún fotón. Agregar solo unos pocos fotones es suficiente para proporcionar una imagen completa.

El método produce ahorros considerables en tiempo de computación y proporciona un marco para que los científicos predigan la interacción entre la luz cuántica y la materia para sistemas realistas en situaciones que eran prohibitivas de simular. "Nuestro enfoque puede servir como una base sólida para desarrollos futuros, proporcionar un camino para integrar la luz cuántica con más fuerza en la química, diseño de materiales y tecnología cuántica, ", Dice Schäfer." Dentro del formalismo general, muchos efectos novedosos aún pueden esperar ser descubiertos, "agrega el director de MPSD Theory, Angel Rubio." La ingeniería de materiales y complejos moleculares a través de la luz se está convirtiendo en una realidad. Nos estamos embarcando en un viaje largo y emocionante para explorar todas sus implicaciones potenciales en tecnologías cuánticas novedosas y el trabajo del equipo proporciona un paso importante en este camino ".