Un equipo internacional en el que participan investigadores del CSIC y el Centro Universitario de la Defensa de Zaragoza en el Instituto de Nanociencia y Materiales de Aragón (INMA, un centro mixto del CSIC y la Universidad de Zaragoza) ha creado un material en un estado mixto de luz y materia.

En su estudio, publicado esta semana en la revista Nature Photonics, los autores presentan un proceso innovador que permite un ‘acoplamiento ultrafuerte’ entre la luz infrarroja (fotones) y las vibraciones atómicas de la materia (fonones) al atrapar la luz en ‘nanocavidades’ o diminutos agujeros anulares de unos 2 nanométros de diámetro en una finísima lámina de oro.

Se ha desarrollado un proceso innovador que permite un ‘acoplamiento ultrafuerte’ entre la luz infrarroja (fotones) y las vibraciones atómicas de la materia (fonones) atrapando la luz en ‘nanocavidades’ de unos 2 nm de diámetro en una finísima lámina de oro

Estas nanocavidades, similares a una versión muy reducida de los cables coaxiales usados para enviar señales eléctricas (como los cables de entrada a los televisores), se rellenaron de dióxido de silicio (SiO2, un material que forma parte del vidrio de una ventana, por ejemplo).

Gracias al uso de las tecnologías empleadas en el diseño de los chips de los ordenadores se lograron producir millones de estas cavidades que exhibían, todas ellas y de manera simultánea, este acoplamiento fotón-vibración ultrafuerte.

El vacío está ocupado

"Es fascinante que, en este régimen de acoplamiento, el vacío no está vacío. En cambio, contiene fotones con longitudes de onda determinadas por las vibraciones moleculares. Además, estos fotones están extremadamente confinados y son compartidos por un número mínimo de moléculas", comenta uno de los autores principales, Luis Martin-Moreno del INMA.

"Normalmente, pensamos en el vacío como básicamente nada, pero resulta que esta fluctuación de vacío siempre existe", indica el otro autor principal, Sang-Hyun Oh de la Universidad de Minesota (EE UU) quien añade: "Es un paso importante para aprovechar esta denominada fluctuación de energía cero en algo útil".

“Las nanocavidades que hemos diseñado nos permiten modificar el modo en que luz y materia interactúan. Variando de forma controlada sus dimensiones, podemos pasar del régimen de acoplamiento débil al ultrafuerte. Nuestro siguiente objetivo es emplear estos dispositivos como ‘nanolaboratorios’, donde probaremos diversos materiales y evaluaremos nuevas teorías” comenta el coautor Fernando de León-Pérez del Centro Universitario de la Defensa de Zaragoza y vinculado al INMA.

Interacción esencial entre luz y materia

La interacción entre la luz y la materia es fundamental para la vida en la Tierra: posibilita que las plantas conviertan la luz solar en energía y nos permite ver los objetos que nos rodean. La 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 forman el objeto comienzan a vibrar más rápido, emitiendo más radiación infrarroja, lo que permite la obtención de imágenes térmicas con cámaras de visión nocturna.

Atrapar la luz puede ser tan simple como hacer que se refleje muchas veces entre dos espejos, pero se pueden obtener interacciones mucho más fuertes si se usan diminutas estructuras metálicas, como las nanocavidades del estudio, para confinarla en regiones de longitud ultrapequeñas

A la inversa, las longitudes de onda de la radiación infrarroja que son absorbidas por los materiales dependen de qué tipo de átomos componen los materiales y de cómo están dispuestos, de modo que los químicos pueden usar la absorción infrarroja como una ‘huella dactilar’ 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. Esto, a su vez, se puede lograr capturando la luz en un pequeño volumen. Atraparla puede ser tan simple como hacer que se refleje múltiples veces entre un par de espejos, pero se pueden obtener interacciones mucho más fuertes si se utilizan diminutas estructuras metálicas, como las nanocavidades del estudio, para confinar la luz en regiones de longitud ultrapequeñas.

Polaritones fruto de la luz y la vibración de la materia

“Llegamos a situaciones de acoplamiento ultrafuerte, lo que significa que estamos descubriendo nuevos estados cuánticos donde la materia y la luz pueden tener propiedades muy diferentes a las que presentan cotidianamente y, de hecho, observamos que comienzan a suceder cosas completamente inusuales”

Cuando esto sucede, las interacciones pueden ser lo suficientemente fuertes como para que entren en juego la naturaleza mecano-cuántica de la luz y las vibraciones. En tales condiciones, la luz (fotones) en las nanocavidades y las vibraciones atómicas (fonones) en el material intercambian su energía tan rápidamente que ya no puedan distinguirse. Cuando esto ocurre, estos modos fuertemente acoplados dan como resultado un comportamiento que es en parte luz y en parte vibración al mismo tiempo, formando nuevos objetos mecánico cuánticos conocidos como polaritones.

Cuanto más fuerte se vuelve la interacción, más singulares y sorprendentes son los efectos cuánticos que pueden ocurrir. Si la interacción se vuelve lo suficientemente fuerte (en el régimen ultrafuerte) 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.

Sang-Hyun Oh explica que otros investigadores han estudiado el fuerte acoplamiento de la luz y la materia, pero con este nuevo proceso para diseñar una versión de cables coaxiales de tamaño nanométrico, “estamos llegando a situaciones de acoplamiento ultrafuerte, lo que significa que estamos descubriendo nuevos estados cuánticos donde la materia y la luz pueden tener propiedades muy diferentes a las que presentan cotidianamente y, de hecho, observamos que comienzan a suceder cosas completamente inusuales”.

Los resultados de esta investigación podrían permitir el desarrollo de nuevos dispositivos optoelectrónicos (que combinan luz y electrónica) de nueva generación, basados en tecnologías cuánticas.

“Este acoplamiento ultrafuerte de luz y vibraciones atómicas –continúa el investigador–, abre todo tipo de posibilidades para desarrollar nuevos dispositivos cuánticos o modificar reacciones químicas”.

De hecho, según los autores, los resultados de su investigación, liderada en la parte teórica por el INMA y en la experimental por la Universidad de Minesota (aunque han participado también otras universidades de EE UU), podrían permitir el desarrollo de nuevos dispositivos optoelectrónicos (que combinan luz y electrónica) basados en tecnologías cuánticas.

Referencia:

Daehan Yoo et al. “Ultrastrong plasmon–phonon coupling via epsilon-near-zero nanocavities”. Nature Photonics, 2020

La investigación del grupo del INMA ha sido financiada por el Ministerio de Economía y Competitividad de España y por el Gobierno de Aragón.

Fuente: INMA (UNIZAR-CSIC)

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