El Instituto de Física produce una nueva clase de polaritones
En ellos, el fotón y la excitación de la materia se encuentran espacialmente separados, dándole a estos objetos cuánticos propiedades únicas en su dinámica, tiempo de vida y luz lenta
Los resultados de la propuesta son producto de una colaboración entre la física teórica y la experimental, y fueron publicados como “Intercavity polariton slows down dynamics in strongly coupled cavities”, el pasado 4 de abril, en Nature Communications, bajo la autoría de Giuseppe Pirruccio, Arturo Camacho, Hugo Lara, César Ordóñez, Huziel Sauceda, Román Armenta, David Ley, Brenda Vargas y Yesenia García, todos investigadores del IFUNAM.
La contribución es parte del Programa de Investigación del Instituto de Física (PIIF), que apoya económicamente los proyectos del personal académico. Éste, en particular, incluye la colaboración de físicos teóricos y experimentales para entender el fenómeno del polaritón y las formas en que se puede manipular.
Acoplamiento de cavidades
Los polaritones son estados cuánticos que surgen de la hibridación de la luz con la materia. En los denominados semiconductores orgánicos, éstos resultan del acoplamiento fuerte de excitaciones de electrones en las moléculas con los fotones de una cavidad óptica. En las cavidades convencionales, este acoplamiento se da al embeber a los semiconductores en espejos altamente reflectivos, que permiten el acoplamiento fuerte entre la luz y la materia en la misma región espacial.
Pero esta cavidad tiene una configuración especial. Hugo Lara explica que el equipo del IF se inspiró en las distintas analogías que hay en otros campos de la física, en particular “el esquema energético de tres niveles crucial para fenómenos como la transparencia electromagnética inducida en física atómica, o la hibridación de excitones inter e intracapa en heteroestructuras de Van der Waals”.
La arquitectura del experimento consistió en dos cavidades fuertemente acopladas, de las cuales sólo una contenía al semiconductor orgánico: la primera cavidad, que se llenó con metacrilato de polimetilo (PMMA), donde únicamente se pueden formar fotones. Está separada por espejos de plata, en los que se colocó una segunda cavidad con una alta concentración de moléculas de Eritrosina B (ErB), un tipo de colorante que absorbe adecuadamente la luz.
Giuseppe Pirruccio comenta que “este diseño permite formar una nueva especie de polaritones, denominados polaritones intercavidad, en los cuales el fotón y la excitación de la materia se encuentran espacialmente segregados”. En este caso, el polaritón está formado por un fotón de la cavidad izquierda, hibridizado con las excitaciones de las moléculas de la segunda cavidad.
“Estos polaritones, cuyos componentes se encuentran espacialmente distanciados, presentan características muy distintas a los convencionales”, describe Arturo Camacho.
Por un lado, es posible controlar la masa efectiva de los polaritones, porque al volverlos pesados se produce un fenómeno conocido como luz lenta, en el cual es posible reducir la velocidad efectiva de la luz dentro de la cavidad.
También se encontró que la dinámica de los polaritones “cambia dramáticamente, produciendo estados con tiempos de vida mayores que para configuraciones de una cavidad”, agregó Camacho. Otros aspectos, como la emisión de luz igual pueden ser controlados con esta cavidad.
Ordóñez se refiere a la relevancia del estudio realizado completamente en el IFUNAM, el cual resulta de una colaboración teórico-experimental que involucró el diseño, fabricación y caracterización de la muestra, el desarrollo de sistemas experimentales para su análisis, en combinación con modelos analíticos y numéricos.
Además, se desarrollaron métodos de entrenamiento de datos, pertenecientes a una rama de la inteligencia artificial (AI, por sus siglas en inglés) mejor conocida como machine learning. Esta herramienta, asevera Huziel Sauceda, permitió comprobar los resultados teóricos y a la vez servir de práctica para nuevas metodologías de AI creadas en el IF.
Este dispositivo ofrece una ventaja tecnológica que, en palabras de los académicos, no se había presentado en los campos de la química y la física del estado sólido. Contar con esta propuesta beneficia dos aspectos en la investigación: por un lado, poder manipular la materia aun si ésta se encuentra fuertemente acoplada con la luz; y por otro, confinar la materia con un experimento de bajo costo comparado con otros disponibles en la ciencia.
La propuesta de los investigadores a corto plazo es utilizar este modelo para el estudio de dinámica en tiempos ultracortos, nuevas técnicas de medición (tomografía cuántica) y estados exóticos de luz y materia.