La interacción entre la luz y la materia abarca un espectro asombroso de fenómenos, desde la fotosíntesis hasta los cautivadores colores del arco iris y las alas de las mariposas. Por diversas que sean estas manifestaciones, implican un acoplamiento de luz-materia muy débil, en esencia, la luz interactúa con el sistema material pero no cambia sus propiedades básicas. Surge un conjunto de fenómenos distintivamente diferente, sin embargo, para sistemas que están diseñados artificialmente para maximizar el acoplamiento de materia ligera. Entonces pueden surgir estados cuánticos intrigantes que no son ni luz ni materia, pero un híbrido de los dos. Estos estados son de gran interés desde un punto de vista fundamental, así como para crear funcionalidades novedosas, por ejemplo, para permitir interacciones entre fotones. Los acoplamientos más fuertes hasta la fecha se han realizado con materiales semiconductores confinados a diminutas cavidades fotónicas. En estos dispositivos, el acoplamiento se incrementa típicamente haciendo que la cavidad sea cada vez más pequeña. Pero incluso si se pueden abordar los desafíos de fabricación asociados, el enfoque está a punto de encontrar límites físicos fundamentales, como un equipo dirigido por los profesores Giacomo Scalari y Jérôme Faist en el informe del Instituto de Electrónica Cuántica en un artículo publicado hoy en Fotónica de la naturaleza . Con este trabajo establecen límites cuantitativos a la miniaturización de tales dispositivos nanofotónicos.

De fuerza a fuerza …

En las últimas cuatro décadas, Se han desarrollado varias plataformas para lograr un fuerte acoplamiento entre la luz y la materia. Entre ellos, destaca uno iniciado experimentalmente por Scalari en el grupo Faísta, ya que casi continuamente desde 2011 proporciona uno de los acoplamientos de materia ligera más fuertes realizados en todas las plataformas. En tono rimbombante, en el curso de establecer nuevos récords, llegaron al régimen "ultrafuerte", donde el acoplamiento de materia ligera es comparable a las energías relevantes del sistema de materia desacoplada, dando acceso a una gran cantidad de fenómenos novedosos.

En el corazón de su plataforma de establecimiento de récords se encuentran los llamados resonadores metálicos de anillo dividido (ver la figura), en el que los campos electromagnéticos se pueden localizar en volúmenes extremadamente pequeños, muy por debajo de la longitud de onda de la luz (típicamente radiación de terahercios (THz)) involucrada. Los huecos del tamaño de un micrómetro de estos resonadores están cargados con pozos cuánticos de semiconductores que poseen propiedades electrónicas adecuadas, para servir como sistema de materia. Una ruta natural para aumentar el acoplamiento entre las excitaciones en los pozos cuánticos y la luz confinada en el resonador es entonces disminuir el ancho del espacio (d en la figura). Pero qué tan fuerte se puede diseñar un acoplamiento de esta manera sigue siendo una pregunta abierta.

... pero dentro de unos límites

Shima Rajabali, un doctorado estudiante en el grupo de Scalari y Faist, gracias a los pozos cuánticos cultivados por su científico principal Mattias Beck y un estudio teórico de Simone De Liberato y Erika Cortese en la Universidad de Southampton (Reino Unido), Ahora hemos explorado teórica y experimentalmente si existe un límite físico fundamental para el confinamiento por sublongitud de onda en tales sistemas. El equipo descubrió que de hecho existe:si el campo electromagnético se concentra en volúmenes cada vez más pequeños, luego, en algún momento, la naturaleza misma de los estados híbridos de luz y materia (en su caso se conocen como polaritones) comienza a cambiar. Este cambio fundamental en las características polaritónicas a su vez evita un aumento adicional en la fuerza del acoplamiento.

Esta limitación no es un escenario lejano. En los dispositivos nanofotónicos de última generación ya se han encontrado firmas de este cambio de paradigma. Solo que no ha habido una comprensión firme de las razones subyacentes. Este vacío ahora lo llenan Rajabali et al. También, su marco recientemente desarrollado podría aplicarse no solo a los dispositivos específicos que estudiaron, pero también a otros sistemas nano-ópticos, por ejemplo, los basados ​​en grafeno o dicalcogenuros de metales de transición (TMD), y para geometrías de resonador distintas de los resonadores de anillo dividido. Como tal, el nuevo trabajo debería proporcionar límites cuantitativos generales para el acoplamiento de materia ligera.

Yendo no local

Con el fin de explorar las limitaciones para aumentar el acoplamiento de luz-materia al disminuir el volumen de sublongitud de onda al que está confinada la luz, el equipo desarrolló un marco teórico cuyas predicciones probaron experimentalmente y en simulaciones por computadora. Un hallazgo clave fue que en las escalas de longitud más pequeñas consideradas (examinaron dispositivos con brechas de hasta 250 nanómetros de ancho) surgieron efectos no locales. Esto se debe al hecho de que por debajo de una escala de longitud crítica, como se proporciona un gran impulso en el plano para los transportistas, el campo de luz estrechamente confinado en el resonador se acopla no solo a los estados electrónicos vinculados del pozo cuántico, sino a un continuo de excitaciones de alto momento que se originan a partir de una dispersión de plasmón bidimensional conocida en el pozo cuántico. Esto abre nuevos canales de pérdida, eventualmente cambiando de una manera fundamental la forma en que la luz y la materia interactúan en estos dispositivos nanofotónicos.

Rajabali y sus colegas muestran que esta transformación en un régimen gobernado por la no localidad polaritónica da lugar a fenómenos que no pueden ser reproducidos por las teorías cuánticas clásicas y lineales normalmente utilizadas para modelar la interacción entre la luz y la materia. En otras palabras, podemos estar seguros de que queda mucho por explorar en el fascinante campo de la interacción luz-materia.