Físicos de la Universidad Tecnológica de Chalmers en Suecia, junto con colegas en Rusia y Polonia, han logrado lograr un acoplamiento ultrafuerte entre la luz y la materia a temperatura ambiente. El descubrimiento es de importancia para la investigación fundamental y podría allanar el camino para los avances en las fuentes de luz, nanomáquinas y tecnología cuántica.

Un conjunto de dos osciladores acoplados es uno de los sistemas más fundamentales y más utilizados en física. Es un modelo de juguete muy general que describe una plétora de sistemas que incluyen cuerdas de guitarra, resonadores acústicos, la física de los columpios de los niños, moléculas y reacciones químicas, sistemas ligados gravitacionalmente, y electrodinámica de cavidad cuántica.

El grado de acoplamiento entre los dos osciladores es un parámetro importante que determina principalmente el comportamiento del sistema acoplado. Sin embargo, no se sabe mucho sobre el límite superior por el cual dos péndulos pueden acoplarse entre sí, y qué consecuencias puede tener dicho acoplamiento.

Los resultados recién presentados, publicado en Comunicaciones de la naturaleza , ofrecer un vistazo al dominio del llamado acoplamiento ultrafuerte, en el que la fuerza de acoplamiento se vuelve comparable a la frecuencia de resonancia de los osciladores. El acoplamiento en este trabajo se realiza mediante la interacción entre la luz y los electrones en un diminuto sistema que consta de dos espejos de oro separados por una pequeña distancia y nanobarras de oro plasmónicas. En una superficie cien veces más pequeña que la punta de un cabello humano, los investigadores han demostrado que es posible crear una interacción ultrafuerte controlable entre la luz y la materia en condiciones ambientales, es decir, a temperatura ambiente y presión atmosférica.

"No somos los primeros en realizar un acoplamiento ultrafuerte. Pero, en general, fuertes campos magnéticos, se requieren alto vacío y temperaturas extremadamente bajas para lograr tal grado de acoplamiento. Cuando puede realizarlo en un laboratorio ordinario, permite que más investigadores trabajen en este campo y proporciona un conocimiento valioso en la frontera entre la nanotecnología y la óptica cuántica, "dice Denis Baranov, investigador de la Universidad Tecnológica de Chalmers y primer autor del artículo científico.

Un dúo único donde la luz y la materia se entremezclan en un objeto común

Para comprender el sistema que los autores han realizado, uno puede imaginar un resonador, en este caso representado por dos espejos de oro separados por unos cientos de nanómetros, como un solo tono en la música. Las nanovarillas fabricadas entre los espejos afectan la forma en que la luz se mueve entre los espejos y cambian su frecuencia de resonancia. En lugar de sonar como un solo tono, en el sistema acoplado, el tono se divide en dos:un tono más bajo y un tono más alto.

La separación de energía entre los dos nuevos tonos representa la fuerza de la interacción. Específicamente, en el estuche de acoplamiento ultrarresistente, la fuerza de interacción es tan grande que se vuelve comparable a la frecuencia del resonador original. Esto conduce a un dúo único en el que la luz y la materia se entremezclan en un objeto común, formando cuasi-partículas llamadas polaritones. El carácter híbrido de los polaritones proporciona un conjunto de intrigantes propiedades ópticas y electrónicas.

El número de nanobarras de oro intercaladas entre los espejos controla la intensidad de la interacción. Pero al mismo tiempo, controla la llamada energía de punto cero del sistema. Al aumentar o disminuir el número de varillas, es posible suministrar o eliminar energía del estado fundamental del sistema y, por lo tanto, aumentar o disminuir la energía almacenada en la caja del resonador.

El descubrimiento permite a los investigadores jugar con las leyes de la naturaleza.

Notablemente, los autores midieron indirectamente cómo el número de nanobarras cambia la energía del vacío al "escuchar" los tonos del sistema acoplado, es decir, mirar los espectros de transmisión de luz a través de los espejos con las nanovarillas y realizar matemáticas simples. Los valores resultantes resultaron ser comparables a la energía térmica, lo que puede conducir a fenómenos observables en el futuro.

"Un concepto para crear un acoplamiento ultrafuerte controlable a temperatura ambiente en sistemas relativamente simples puede ofrecer un banco de pruebas para la física fundamental. El hecho de que este acoplamiento ultrafuerte 'cueste' energía podría conducir a efectos observables, por ejemplo, podría modificar la reactividad de los productos químicos o adaptar las interacciones de van der Waals. El acoplamiento ultrafuerte permite una variedad de fenómenos físicos intrigantes, "dice Timur Shegai, Profesor asociado de Chalmers y último autor del artículo científico.

En otras palabras, este descubrimiento permite a los investigadores jugar con las leyes de la naturaleza y probar los límites del acoplamiento.

"Como el tema es bastante fundamental, las aplicaciones potenciales pueden variar. Nuestro sistema permite alcanzar niveles de acoplamiento aún más fuertes, algo conocido como acoplamiento fuerte y profundo. Todavía no estamos completamente seguros de cuál es el límite de acoplamiento en nuestro sistema, pero claramente es mucho más alto de lo que vemos ahora. En tono rimbombante, la plataforma que permite estudiar el acoplamiento ultrafuerte ahora es accesible a temperatura ambiente, "dice Timur Shegai.