Fotones en una lata

Una nueva forma de diseñar materiales

16.11.2020 - Alemania

La simetría de los cristales es uno de los atributos físicos decisivos que determina las propiedades de un material. En particular, el comportamiento de un electrón se ve afectado en gran medida por la simetría del cristal que a su vez rige el comportamiento fundamental del material, como sus propiedades conductivas u ópticas. Con los recientes desarrollos de las técnicas experimentales y los avances en los experimentos con láser ultrarrápido, otra simetría además del cristal ha resultado influir en los electrones: la simetría de la luz.

Ahora los investigadores del Instituto Max Planck para la Estructura y la Dinámica de la Materia (MPSD) de Hamburgo exploran cómo la luz y la materia simétricamente acopladas producen un nuevo estado combinado de luz y electrones - un estado que podría ser utilizado en el diseño de nuevos materiales. Su comentario ha sido publicado en Nature Materials.

Si bien la luz por sí misma se comprende bien desde las perspectivas clásica y cuántica, los efectos que surgen de la interacción de la luz y la materia han dado lugar a un vasto campo de investigación de materiales que da lugar a muchas aplicaciones tecnológicas, como las células solares, por ejemplo, pero también siguen siendo pertinentes en el ámbito de la investigación fundamental y teórica. Hasta ahora, el papel de las simetrías de la luz se ha considerado en gran medida como una simple ruptura de la simetría de los electrones en el cristal. Sin embargo, los trabajos recientes en los que se han utilizado láseres intensos han vuelto a centrar la atención en el efecto mutuo de la polarización de la luz y el cristal. Una simetría particularmente importante es la capacidad de la luz de alcanzar la quiralidad, es decir, una entrega bien definida de su polarización.

Control de la nada

Cómo los fotones virtuales alteran los espectros atómicos

Leer noticia

La simetría de la luz es de particular relevancia cuando interactúa con la simetría de los cristales en los materiales. Lo más llamativo son los experimentos en los que la conducción continua de un material con un láser conduce a la formación de un estado combinado de luz y electrones, el llamado estado vestido, que cambia el comportamiento del material en su conjunto. Estos estados cuánticos dependen entonces tanto de la simetría del cristal como de la simetría de la luz, que juntas determinan la propiedad del material. El punto de vista novedoso es que la luz tiene que ser vista como una parte constitutiva del estado en lugar de una perturbación de ruptura.

En su comentario, Hübener y otros analizan el alcance de esta visión emergente de la interacción luz-materia y exploran su perspectiva para nuevos enfoques del diseño de materiales. Esto tiene implicaciones especialmente para los materiales cuánticos - materiales con propiedades que están determinadas por los efectos de la mecánica cuántica a escala macroscópica. Estas propiedades emergentes pueden dar lugar a nuevas funcionalidades y se consideran como una ruta hacia la ingeniería de "propiedades de los materiales a pedido". Los dos principales actores en el nuevo paradigma de diseño de materiales facilitado por la luz que se discute aquí son los electrones y los fotones. Los investigadores muestran que algunas características de su comportamiento cuántico combinado pueden ser inferidas incluso a partir de cómo interactúan dinámicamente cuando la luz es considerada como un campo clásico (no cuántico).

Un ejemplo ilustrativo de este punto de vista es el efecto de la luz polarizada circular y el papel que juega en el cambio de la simetría temporal de la estructura electrónica. Esta es una de las simetrías más importantes para las propiedades de los materiales. Es bien sabido que los campos magnéticos rompen la simetría de tiempo inverso de los electrones en los materiales porque los someten a trayectorias circulares que difieren, dependiendo del signo de su momento. De manera similar, un campo de luz polarizado circularmente afecta a los electrones con momentos opuestos de maneras opuestas. Como resultado, la dinámica y por lo tanto las propiedades de los materiales pueden ser fundamentalmente diferentes cuando tal campo de ruptura de simetría de tiempo inverso viste la estructura electrónica. En experimentos recientes, se han utilizado con bastante éxito láseres de polarización circular para romper temporalmente la simetría de tiempo inverso en los materiales.

El nuevo enfoque del diseño de materiales que se discute en este artículo utiliza un fenómeno intrigante: Los efectos de tratar la luz en el mismo pie que los electrones se hacen aún más sorprendentes cuando la luz está confinada en un resonador óptico o en una cavidad. En tales sistemas, en los que la luz se refleja de un lado a otro en una escala muy pequeña, de modo que sólo se pueden sostener modos bien definidos del campo, la estructura cuántica del campo electromagnético queda expuesta y tiene que describirse en términos de partículas individuales de luz (fotones). Se puede pensar que estos dispositivos proporcionan fotones en una lata, un contenedor cerrado con un tipo particular de fotones.

Las propiedades de los fotones dentro de la lata están determinadas por su tamaño, forma y estructura de las paredes. Estas cavidades se han utilizado durante mucho tiempo para controlar y manipular el campo electromagnético, sobre todo para fabricar láseres. Sin embargo, son cada vez más relevantes en la ciencia de los materiales. Esto se debe a que un fotón atrapado dentro de una cavidad junto con un material interactúa con su estructura electrónica y, de hecho, cristalina a nivel cuántico, lo que da lugar a una fuerte interacción y a la formación de estados híbridos de luz y materia que pueden generar nuevas propiedades.

Tales estados están determinados por las propiedades tanto de los electrones como de los fotones. Esto abre la interesante posibilidad de que los fotones de la cavidad puedan dotarse de propiedades particulares para controlar los estados híbridos resultantes. De hecho, podrían ser diseñados específicamente para romper simetrías específicas en el material. Como ya se ha mencionado, la manipulación de la simetría de inversión del tiempo puede tener un impacto particularmente fuerte en las propiedades de los materiales cuánticos.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.