En una investigación nueva e innovadora, un equipo internacional de investigadores dirigido por la Universidad de Minnesota Twin Cities ha desarrollado un proceso único para producir un estado cuántico que es en parte luz y en parte materia.

El descubrimiento proporciona nuevos conocimientos fundamentales para desarrollar de manera más eficiente la próxima generación de dispositivos ópticos y electrónicos basados ​​en la tecnología cuántica. La investigación también podría tener un impacto en el aumento de la eficiencia de las reacciones químicas a nanoescala.

La investigación se publica en Fotónica de la naturaleza .

La ciencia cuántica estudia los fenómenos naturales de la luz y la materia en las escalas más pequeñas. En este estudio, Los investigadores desarrollaron un proceso único en el que lograron un "acoplamiento ultrafuerte" entre la luz infrarroja (fotones) y la materia (vibraciones atómicas) al atrapar la luz en pequeñas, agujeros anulares en una fina capa de oro. Estos agujeros eran tan pequeños como dos nanómetros, o aproximadamente 25, 000 veces más pequeño que el ancho de un cabello humano.

Estas nanocavidades, similar a una versión muy reducida de los cables coaxiales que se utilizan para enviar señales eléctricas (como el cable que entra en su televisor), estaban llenos de dióxido de silicio, que es esencialmente lo mismo que el vidrio de la ventana. Métodos de fabricación únicos, basado en técnicas desarrolladas en la industria de los chips de computadora, hacen posible producir millones de estas cavidades simultáneamente, con todos ellos exhibiendo simultáneamente este acoplamiento fotón-vibración ultrafuerte.

"Otros han estudiado el fuerte acoplamiento de luz y materia, pero con este nuevo proceso para diseñar una versión de tamaño nanométrico de cables coaxiales, estamos empujando las fronteras del acoplamiento ultrafuerte, lo que significa que estamos descubriendo nuevos estados cuánticos donde la materia y la luz pueden tener propiedades muy diferentes y comienzan a suceder cosas inusuales, "dijo Sang-Hyun Oh, profesor de ingeniería eléctrica e informática de la Universidad de Minnesota y autor principal del estudio. "Este acoplamiento ultrafuerte de luz y vibraciones atómicas abre todo tipo de posibilidades para desarrollar nuevos dispositivos cuánticos o modificar reacciones químicas".

La interacción entre la luz y la materia es fundamental para la vida en la tierra:permite que las plantas conviertan la luz solar en energía y nos permite ver los objetos que nos rodean. Luz infrarroja, con longitudes de onda mucho más largas de lo que podemos ver con nuestros ojos, interactúa con las vibraciones de los átomos en los materiales. Por ejemplo, cuando un objeto se calienta, los átomos que componen el objeto comienzan a vibrar más rápido, emitiendo más radiación infrarroja, habilitación de cámaras termográficas o de visión nocturna.

En cambio, las longitudes de onda de la radiación infrarroja que son absorbidas por los materiales dependen de qué tipo de átomos componen los materiales y cómo están dispuestos, para que los químicos puedan utilizar la absorción infrarroja como una "huella digital" para identificar diferentes sustancias químicas.

Estas y otras aplicaciones pueden mejorarse aumentando la intensidad con la que la luz infrarroja interactúa con las vibraciones atómicas de los materiales. Esta, Sucesivamente, se puede lograr atrapando la luz en un pequeño volumen que contiene los materiales. Atrapar la luz puede ser tan simple como hacer que se refleje hacia adelante y hacia atrás entre un par de espejos, pero se pueden realizar interacciones mucho más fuertes si las estructuras metálicas a escala nanométrica, o 'nanocavidades, 'se utilizan para confinar la luz en escalas de longitud ultrapequeña.

Cuando esto pasa, las interacciones pueden ser lo suficientemente fuertes como para que entren en juego la naturaleza mecánico-cuántica de la luz y las vibraciones. En tales condiciones, la energía absorbida se transfiere de un lado a otro entre la luz (fotones) en las nanocavidades y las vibraciones atómicas (fonones) en el material a una velocidad lo suficientemente rápida como para que el fotón de luz y el fonón de materia ya no puedan distinguirse. En tales condiciones, Estos modos fuertemente acoplados dan como resultado nuevos objetos de mecánica cuántica que son parte luz y parte vibración al mismo tiempo, conocido como polaritones.

Cuanto más fuerte se vuelve la interacción, cuanto más extraño los efectos de la mecánica cuántica que pueden ocurrir. Si la interacción se vuelve lo suficientemente fuerte, puede ser posible crear fotones a partir del vacío, o hacer que las reacciones químicas se desarrollen de formas que de otro modo serían imposibles.

"Es fascinante que, en este régimen de acoplamiento, el vacío no está vacío. En lugar de, contiene fotones con longitudes de onda determinadas por las vibraciones moleculares. Es más, estos fotones están extremadamente confinados y son compartidos por un número diminuto de moléculas, "dijo el profesor Luis Martín-Moreno del Instituto de Nanociencia y Materiales de Aragón (INMA) en España, otro autor del artículo.

"Normalmente, pensamos en el vacío como básicamente nada, pero resulta que esta fluctuación del vacío siempre existe, "Oh, dijo." Este es un paso importante para aprovechar esta llamada fluctuación de energía cero para hacer algo útil ".