Un nuevo enfoque para controlar las fuerzas y las interacciones entre átomos y moléculas, como los empleados por los geckos para escalar superficies verticales, podría traer avances en nuevos materiales para desarrollar fuentes de luz cuántica.

"Los átomos y moléculas estrechamente espaciados de nuestro entorno interactúan constantemente, atrayéndose y repeliéndose, "dijo Zubin Jacob, profesor asistente de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad de Purdue. "Estas interacciones, en última instancia, permiten una gran variedad de fenómenos, como las almohadillas adhesivas en las patas de los geckos, así como la fotosíntesis ".

Típicamente, estas interacciones ocurren cuando los átomos y las moléculas están separados entre 1 y 10 nanómetros, o aproximadamente 1/10, 000th del ancho de un cabello humano.

"Estos incluyen las fuerzas de Van der Waals que tienen lugar entre átomos y moléculas sólo cuando están muy juntos. El hecho de que siempre requieren distancias de separación extremadamente cortas hace que sean difíciles de controlar. Esto plantea un gran obstáculo para explotarlos en aplicaciones prácticas". " él dijo.

Durante breves períodos de tiempo, se dice que los átomos poseen "dipolos fluctuantes" porque sus cargas positivas y negativas están momentáneamente separadas. Los dipolos de numerosos átomos y moléculas a veces interactúan entre sí, y estas interacciones dipolo-dipolo son la base de Van der Waals y otras fuerzas entre los átomos y moléculas estrechamente espaciados.

Los investigadores han demostrado que estas interacciones dipolo-dipolo se alteran fundamentalmente dentro de los llamados materiales bidimensionales, como el nitruro de boro hexagonal y el fósforo negro, materiales con un espesor que consta de solo unas pocas capas atómicas. También han demostrado que es posible lograr las interacciones dipolo-dipolo incluso cuando los átomos y las moléculas están relativamente distantes. con una separación cercana a una micra, o 100 veces más separados de lo que normalmente se requeriría. Esta mayor distancia representa el potencial para la aplicación práctica del fenómeno para fuentes ópticas.

Los hallazgos se detallan en un artículo publicado a principios de este año en la revista. Comunicaciones de la naturaleza . El artículo fue escrito por el estudiante de doctorado Cristian L. Cortes y Jacob.

"Nuestro principal objetivo era comprender si es posible controlar y manipular este tipo de interacciones, "Dijo Cortés." Lo que encontramos fue que al diseñar cuidadosamente las propiedades de los materiales, es posible alterar significativamente la fuerza y ​​el rango espacial de estas interacciones. Descubrimos que los llamados materiales hiperbólicos permiten interacciones de muy largo alcance a diferencia de cualquier otro material convencional ".

Las interacciones dipolo-dipolo también hacen que muchos átomos y moléculas fluorescentes emitan luz de manera sincronizada. Ordinariamente, Las moléculas fluorescentes emiten luz en destellos aleatorios y espontáneos. Sin embargo, Los materiales pueden diseñarse para mediar interacciones de modo que la emisión se sincronice, parpadeando al unísono, y el aumento de la producción de luz de forma espectacular en un fenómeno llamado superradiancia.

Los materiales hiperbólicos bidimensionales están diseñados para inducir esta superresplandor entre emisores cuánticos fluorescentes colocados muy separados.

"Cuando interactúan a través de estos materiales, pueden engancharse entre sí como dos péndulos sincronizados perfectamente, "Dijo Jacob.

Se dice que los materiales "interactúan fuertemente" debido al efecto dipolo-dipolo de largo alcance.

Las interacciones de "largo alcance" podrían hacer posible nuevos tipos de fuentes de luz que exploten la superresplandor. Otro objetivo desafiante es construir simuladores cuánticos utilizando una red de emisores que interactúan para imitar "interacciones de Coulomb" o "interacciones de espín" entre electrones en un material.

Aunque el Comunicaciones de la naturaleza el artículo se centra en la teoría, los investigadores también sugirieron varios métodos experimentales para validar la teoría. Están realizando un experimento utilizando materiales 2-D hiperbólicos en el Centro de Nanotecnología Birck en Discovery Park de Purdue.