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En el campo de la óptica cuántica los investigadores trabajan con las entidades más diminutas de la materia. Esta puede ser la luz, reducida hasta su forma mínima de fotón, o puede ser materia, reducida hasta su forma de átomo. Ambos tipos de partículas tienen diferentes propiedades y características que las distinguen. Sin embargo, también existe una tercera opción a partir de la cual trabajar: la hibridación de luz y materia de lo que resulta una entidad conocida como “polaritón”, que comparte propiedades tanto de la luz como de la materia y que, en consecuencia, muestra comportamientos novedosos y sorpresivos.

En relación a esto, un grupo de investigadores de diferentes universidades, entre los que se encuentra el doctor Arturo Camacho Guardian, del Instituto de Física de la UNAM, y el Dr. Miguel Ángel Bastarrachea Magnani, de la Universidad Autónoma Metropolitana (UAM) campus Iztapalapa, ha desarrollado un procedimiento teórico que demuestra que, bajo condiciones particulares, los polaritones pueden interactuar con una fuerza mayor que la de las partículas.

“Lo que resulta curioso es que uno esperaría que la interacción entre la luz esté limitada por su componente de materia, es decir, que no pueda interactuar más fuerte que como lo haría la materia sin la luz, entonces, lo que nosotros demostramos es que, de hecho, el polaritón puede interactuar con una magnitud más fuerte que la materia por sí sola”, mencionó el Dr. Camacho, investigador del departamento de Física Química del Instituto de Física.

Un aspecto novedoso de la hibridación luz-materia es que permite la colisión entre dos fotones, un fenómeno más bien extraño en la naturaleza. Por lo general, los haces de luz discurren unos sobre otros en total indiferencia, sin interaccionar entre sí. Pero este no es el caso de las partículas con masa. “La luz casi no interactúa consigo misma, pero la materia sí: dos partículas pueden chocar, nosotros también podemos chocar. Asimismo, los polaritones, a través de sus componentes de materia, logran interactuar entre ellos. Entonces lo que nosotros tratamos de hacer es encontrar mecanismos para que esta interacción sea muy fuerte, lo que nosotros llamamos resonancia”, explicó.

Lo que hace particularmente interesante a la interacción entre polaritones es que da lugar a fenómenos ópticos no lineales. Cuando la luz impacta contra cualquier objeto, lo más común es que estos tiendan a absorber y emitir la luz sin modificar su frecuencia o longitud de onda, lo que en óptica se conoce como linealidad. Este fenómeno también se expresa en otras características, como es el escalamiento de propiedades: entre más intensa es la luz de entrada, la intensidad de la emisión de salida o el espectro de absorción crecerán de forma predecible.

En cambio, existen materiales que bajo condiciones específicas pueden exhibir fenómenos ópticos no lineales, los cuales se caracterizan por su impredecibilidad y por dar lugar a fenómenos inesperados. Por ejemplo, es posible emitir hacia un objeto radiación electromagnética de frecuencia baja (como la luz infrarroja, invisible a nuestros ojos) y recibir de regreso luz visible de frecuencia alta. Este tipo de fenómenos, que comenzaron a ser estudiados de manera sistemática a partir de los años sesenta, no sólo han sido reveladores para la ciencia básica al mostrar efectos cuánticos hasta entonces desconocidos, sino que han sido aprovechados ampliamente en la ciencia aplicada. Uno de los ejemplos más importantes es el láser, dispositivo que basa su funcionamiento en la amplificación de la radiación electromagnética de entrada, para emitir radiación en un rango del espectro más alto que sea de interés (como los rayos X en sus muchas aplicaciones).

Sin embargo, lograr que el contacto entre polaritones derive en efectos ópticos no lineales sólo es posible si la interacción entre estos es lo suficientemente fuerte, y llegar a tal estado no es un asunto trivial. El equipo de investigadores que lideraron este trabajo formuló un mecanismo que definieron como “una colisión entre polaritones oscuros en un sistema de tres niveles”. Lo que en la óptica cuántica se conoce como “polaritones oscuros” se refiere a las formas estables en las que luz y materia se acoplan.

En esta investigación, para lograr tal estabilidad, la clave está en trabajar con átomos con tres niveles energéticos, los cuales favorecen la interacción entre fotones y materia al mantenerlos unidos durante más tiempo. “Los tres niveles son cruciales”, señala el Dr. Camacho. “Imagina que tienes un gas formado por átomos. Cada átomo lo puedes excitar a un nivel de energía. Si solo tienes dos niveles, lo único que puede hacer el átomo, si le envías un fotón, es tomar la energía y emitir la luz en otra dirección. Pero si tú le sumas un nivel de energía, entonces usa ese estado como uno intermedio que ahora tiene una vida mucho más larga”.

Los resultados de esta investigación son prometedores en tanto que la interacción fuerte entre polaritones podría ser un elemento constitutivo en el desarrollo de tecnologías fotónicas, como son los semiconductores, los materiales bidimensionales, los aparatos de medición, entre otros. Sin embargo, el investigador cuyas líneas de investigación incluyen los gases atómicos ultrafríos, los sistemas bidimensionales y los sistemas híbridos ion-átomo señala que aún es necesario hacer más investigación y desarrollar experimentos para lograr integrar este tipo de polaritones en las tecnologías ópticas.