Un equipo de investigación de NTNU está estudiando un tema llamado cavidades ópticas y cómo la luz atrapada en ellas interactúa con átomos, moléculas y otras partículas. La tecnología podría resultar valiosa para el desarrollo de procesos químicos energéticamente eficientes o la síntesis de fármacos, por ejemplo.

El trabajo del profesor Henrik Koch y Ph.D. los candidatos Rosario R. Riso, Tor S. Haugland y Marcus T. Lexander han mostrado resultados sorprendentes y están ganando atención.

"Hemos observado un método efectivo para describir moléculas en cavidades ópticas", dice el profesor Koch, que trabaja tanto en el Departamento de Química de la Facultad de Ciencias Naturales de la NTNU como en la Scuola Normale Superiore di Pisa (SNS) en Italia.

Sus resultados se publicaron recientemente en Physical Review X y Comunicaciones de la Naturaleza .

¿Cavidades ópticas?

Pero, ¿qué son exactamente las cavidades ópticas? En primer lugar, recuerda que en esta escala, el mundo parece un poco diferente de lo que la mayoría de nosotros estamos acostumbrados.

En la mecánica cuántica, las partículas y las ondas son indistinguibles porque tienen lo que se llama una dualidad onda-partícula o una función de onda.

Tampoco podemos distinguir entre partículas y luz en las cavidades ópticas, que tienen una dualidad molécula-luz. Este acoplamiento crea nuevos colores y propiedades en las moléculas que pueden utilizarse en procesos químicos y físicos.

Espejos reflectantes

Las cavidades ópticas se pueden crear mediante el uso de dos espejos que están muy cerca uno del otro, normalmente separados entre sí por nanómetros. Para comprender las moléculas es necesario observar el entorno en el que se encuentran.

Todos los átomos y moléculas, como el oxígeno en la aurora boreal, emiten luz porque interactúan con la luz tenue que siempre está presente en el vacío o espacio "vacío". La cualidad especial en este caso es que la luz en una cavidad óptica vacía no es la misma que la luz en el vacío exterior. Colocar una molécula dentro de la cavidad cambiará tanto el color como la intensidad de la luz que emana de la molécula.

"En una cavidad óptica hecha de espejos reflectantes, las moléculas pueden interactuar fuertemente con el vacío de la mecánica cuántica", dice Koch.

El equipo de investigación trabaja exclusivamente con simulaciones, por lo que es importante colaborar con un grupo experimental que pueda comprobar si las teorías del equipo son correctas.

Con este fin, el equipo de investigación está trabajando con el profesor John de Mello y Ph.D. candidato Enkui Lian de NTNU Nano para fabricar prototipos para su uso en investigación.

Una teoría común

La teoría de orbitales moleculares es una herramienta teórica importante en química y se usa ampliamente tanto en química inorgánica como orgánica para comprender las reacciones químicas.

"Hemos encontrado la primera teoría de orbitales moleculares coherente para la electrodinámica cuántica, es decir, una teoría de orbitales moleculares para moléculas en cavidades ópticas", dice Koch.

Usando esta teoría, los científicos pueden predecir cómo reaccionarán las moléculas dentro de las cavidades ópticas, así como qué tipo de colores y propiedades tendrán las moléculas. + Explora más

Accurate theoretical modeling unravels changes in molecules interacting with quantum light