Una colaboración de investigación internacional de Polonia, el Reino Unido y Rusia han creado un sistema bidimensional, una delgada cavidad óptica llena de cristal líquido, en la que atraparon fotones. Como las propiedades de la cavidad fueron modificadas por un voltaje externo, los fotones se comportaron como cuasipartículas masivas dotadas de un momento magnético, llamado "giro, "bajo la influencia de un campo magnético artificial. La investigación ha sido publicada en Ciencias el viernes, 8 de noviembre de 2019.

El mundo que nos rodea tiene una dimensión temporal y tres espaciales. Los físicos que estudian la materia condensada llevan mucho tiempo tratando con sistemas de menor dimensionalidad:pozos cuánticos bidimensionales (2-D), cables cuánticos unidimensionales (1-D) y puntos cuánticos de dimensión cero (0-D). Los sistemas 2-D han encontrado las aplicaciones técnicas más amplias:gracias a las dimensiones reducidas, los LED y diodos láser eficientes, transistores rápidos en circuitos integrados, y funcionan los amplificadores de radio WiFi. Los electrones atrapados en dos dimensiones pueden comportarse de manera completamente diferente a los electrones libres. Por ejemplo, en grafeno, una estructura de carbono bidimensional con simetría de panal, los electrones se comportan como objetos sin masa, es decir, partículas de luz llamadas fotones.

Los electrones en un cristal interactúan entre sí y con la red cristalina, creando un sistema complejo cuya descripción es posible gracias a la introducción del concepto de las llamadas cuasipartículas. Propiedades de estas cuasipartículas, incluida la carga eléctrica, momento y masa magnéticos, dependen de la simetría del cristal y su dimensión espacial. Los físicos pueden crear materiales con dimensiones reducidas, descubriendo "cuasi-universos" llenos de cuasipartículas exóticas. El electrón sin masa en el grafeno bidimensional es un ejemplo.

Estos descubrimientos inspiraron a investigadores de la Universidad de Varsovia, la Universidad Tecnológica Militar de Polonia, el Instituto de Física de la Academia de Ciencias de Polonia, la Universidad de Southampton y el Instituto Skolkovo cerca de Moscú, estudiar la luz atrapada en estructuras bidimensionales:cavidades ópticas.

Los autores de la Ciencias el papel creó una cavidad óptica en la que atraparon fotones entre dos espejos. La idea original era llenar la cavidad con un material de cristal líquido que actúa como medio óptico. Bajo la influencia de una tensión externa, Las moléculas de este medio pueden rotar y cambiar la longitud del camino óptico. Debido a esto, era posible crear ondas estacionarias de luz en la cavidad, cuya energía (frecuencia de vibraciones) era diferente cuando el campo eléctrico de la onda (polarización) se dirigía a través de las moléculas y diferente para la polarización a lo largo de su eje (este fenómeno se llama anisotropía óptica).

Durante la investigación, realizado en la Universidad de Varsovia, Se descubrió el comportamiento único de los fotones atrapados en la cavidad, ya que se comportan como cuasipartículas portadoras de masa. Tales cuasipartículas se han observado antes, pero eran difíciles de manipular porque la luz no reacciona a campos eléctricos o magnéticos. Esta vez, Se observó que a medida que se cambiaba la anisotropía óptica del material de cristal líquido en la cavidad, los fotones atrapados se comportaron como cuasipartículas dotadas de un momento magnético, o un "giro" en un "campo magnético artificial". La polarización de la onda electromagnética jugó el papel de "giro" de la luz en la cavidad. El comportamiento de la luz en este sistema es más fácil de explicar utilizando la analogía del comportamiento de los electrones en la materia condensada.

Las ecuaciones que describen el movimiento de los fotones atrapados en la cavidad se asemejan a las ecuaciones de movimiento de los electrones con espín. Por lo tanto, fue posible construir un sistema fotónico que imita perfectamente las propiedades electrónicas y conduce a muchos efectos físicos sorprendentes, como los estados topológicos de la luz.

El descubrimiento de nuevos fenómenos relacionados con el atrapamiento de la luz en cavidades ópticamente anisotrópicas puede permitir la implementación de nuevos dispositivos optoelectrónicos, p.ej. redes neuronales ópticas y realizar cálculos neuromórficos. Existe una promesa particular a la perspectiva de crear un estado cuántico de materia único:el condensado de Bose Einstein. Dicho condensado se puede utilizar para cálculos y simulaciones cuánticas, resolver problemas que son demasiado difíciles para las computadoras modernas. Los fenómenos estudiados abrirán nuevas posibilidades de soluciones técnicas y nuevos descubrimientos científicos.