Los científicos de la Universidad de Rice son conocidos por sus investigaciones excepcionales, pero un nuevo artículo dirigido por el físico Junichiro Kono hace que ese punto sea más literal.

El descubrimiento de puntos excepcionales en un material único creado por el laboratorio de Kono es una de varias revelaciones en un artículo que aparece en Fotónica de la naturaleza .

Estas singularidades espectrales son fundamentales para otro fenómeno, la recién descubierta capacidad del equipo para sintonizar continuamente la transición entre el acoplamiento débil y ultrafuerte de la luz y la materia confinada en el vacío. Esa capacidad puede brindar a los investigadores la oportunidad de explorar tecnologías cuánticas novedosas como el almacenamiento avanzado de información o los láseres unidimensionales.

Kono y sus colegas tienen experiencia en acorralar fotones y excitones (pares de agujeros de electrones unidos) en sólidos para formar materia condensada en un pozo cuántico. Informaron sobre su capacidad para hacerlo manipulando electrones con luz y un campo magnético en 2016. En el mismo año, anunciaron su capacidad para hacer altamente alineados, películas del tamaño de una oblea de nanotubos de carbono de pared simple.

En el nuevo trabajo El investigador postdoctoral y autor principal de Kono y Rice, Weilu Gao, combinó técnicas de los artículos anteriores y utilizó luz polarizada para desencadenar la formación de cuasipartículas conocidas como polaritones, luz y materia fuertemente acopladas, dentro de los nanotubos unidimensionales en una cavidad a temperatura ambiente. Debido a que los polaritones solo pueden resonar a lo largo de la longitud de los nanotubos alineados, aparecen cuando la luz entrante se polariza en la misma dirección. Cuando se gira 90 grados, los polaritones desaparecen progresivamente.

El ángulo de polarización en el que aparecen y desaparecen los polaritones se conoce como punto excepcional, y ni Kono ni Gao lo consideraron importante hasta que un amigo teórico intervino.

"Descubrir el punto fue importante, y sorprendente, "Dijo Kono." En nuestra primera versión del artículo, realmente no lo enfatizamos. Pero mientras estaba bajo revisión, le mostramos a un teórico los datos y él señaló, 'Aquí tienes esta característica similar a un punto de Dirac'. Empezamos a mirarlo con más detenimiento, y de hecho hubo un punto excepcional ".

Los puntos de Dirac son una característica del grafeno; aparecen donde las bandas de conducción y valencia del material se conectan para convertirlo en un conductor perfecto de la electricidad. En materiales semiconductores, la separación energética entre bandas determina la banda prohibida del material.

Se han estudiado puntos excepcionales en otros contextos; en experimentos recientes, los científicos demostraron que la luz misma podría ralentizarse o detenerse en ese punto.

"Muchas de las propiedades anómalas de los electrones en el grafeno están relacionadas con la existencia de este punto especial, llamado el punto de Dirac, o punto cero de energía, "Dijo Kono." La estructura de la banda del grafeno es completamente poco tradicional en comparación con los semiconductores sólidos como el arseniuro de galio o el silicio, que tienen bandas de conducción y valencia que definen su banda prohibida.

"En nuestro caso, tenemos una especie de banda prohibida entre los polaritones superior e inferior cuando la luz polarizada es paralela a las películas, pero cambiar la polarización de la luz lo cambia todo. Cuando llegas al punto excepcional, la banda prohibida se cierra y los polaritones desaparecen ".

Kono dijo que el trabajo también demuestra que los nanotubos alineados cooperan entre sí. "La división Rabi del vacío (una medida de la fuerza de acoplamiento entre los fotones en el vacío y los electrones en la película sólida) aumenta a medida que aumentamos el número de nanotubos, ", dijo." Esto es evidencia de que los nanotubos cooperan coherentemente al interactuar con los fotones de la cavidad ".

Gao dijo que el experimento de Rice sugirió que se podría encontrar una forma de crear fotones, partículas elementales de luz, a partir del vacío. Eso podría ser importante para el almacenamiento a nivel cuántico como una forma de extraer datos de qubits.

"Hay propuestas teóricas para convertir fotones virtuales en fotones reales, a veces llamados fotones de Casimir, "Dijo Kono." Podríamos tener materia dentro de una cavidad interactuando con el vacío, y cuando activamos el sistema de alguna manera destruimos el acoplamiento, y de repente salen fotones. Ese es un experimento que queremos hacer porque producir fotones a pedido desde el vacío sería genial ".