Unidad de Comunicación

Un grupo de investigación totalmente basado en el Instituto de Física ha publicado un trabajo en el que demuestran de forma teórica y experimental una extensión de la teoría de cuasipartículas del físico Lev Landau, ganador del Premio Nobel de 1962, lo que los convierte en los pioneros de un trabajo de este tipo en México. Su propuesta funciona para moléculas orgánicas fuertemente acopladas en una nanocavidad óptica a temperatura ambiente, las cuales forman objetos complejos llamados excitones-polaritones. El uso de moléculas orgánicas a temperatura ambiente fue el ingrediente crucial para ir más allá del concepto de polaritón ideal.

Resultado de su modelo teórico y de la demonstración experimental, los autores predicen que la ruptura de la imagen de la cuasipartícula podría tener implicaciones importantes en las dinámicas del polaritón y que podría traer consecuencias relevantes para fenómenos mediados por una cavidad, como pueden ser la condensación, la química modificada por polaritones o la fluorescencia y fosforescencia retardada activada por temperatura, por mencionar algunos.

Esta investigación busca resolver el vacío explicativo que existe en la comprensión de la relación entre el excitón y el polaritón, específicamente al demostrar que el continuo de los primeros afecta la coherencia de los segundos. “La teoría existente es insuficiente para explicar más allá de lo que entendemos de los polaritones. Es por esto que proponemos extender la teoría y demostrarla experimentalmente”, comentó el Dr. Giuseppe Pirruccio, investigador del departamento de Física Química del Instituto de Física y uno de los autores del trabajo.

El Dr. Pirruccio explicó que, en los últimos 5 años, otros grupos académicos han realizado observaciones experimentales, pero sus trabajos ignoraron o discutieron pobremente el problema de la pérdida de coherencia de una de las ramas polaritónicas. “Nosotros notamos que en nuestras mediciones se veía claramente la evolución de la coherencia del polaritón, así como el régimen en el que se podía hablar de cuasipartícula en el sentido de la teoría de Landau, y cuando ya no se puede hacer eso”, mencionó el encargado del Laboratorio de Nanofotónica Avanzada del Instituto de Física. A esto agregó que dicha transición no se había descrito de manera teórica y de forma escasa en lo experimental. “Nosotros unimos estas dos: hicimos una teoría más general y tomamos un sistema experimental específico, una muestra específica, donde se podía apreciar muy bien ese efecto”, agregó.

El artículo, que se publicó en la revista Physical Review B de la American Physical Society (APS, por las siglas en inglés de la Sociedad Estadounidense de Física) el pasado 27 de febrero, está firmado por Yesenia A. García Jomaso y Brenda Vargas, ambas posdoctorantes del Instituto; el Dr. David Ley Domínguez y el Dr. César Ordóñez Romero, ambos del departamento de Estado Sólido; el Dr. Hugo Lara García, el Dr. Arturo Camacho Guardian y el Dr. Giuseppe Pirruccio, investigadores del departamento de Física Química.

Los polaritones resultan del acoplamiento fuerte de luz y materia, esto es entre los fotones confinados y la materia excitada, mismos que se encuentran en una cavidad óptica. Estas cuasipartículas están descritas en la teoría de cuasipartículas de Landau, en donde se describe la hibridación de la luz y la materia de manera que se reduce la complejidad del sistema, además de que permite comprender las interacciones mediadas que se dan entre fotones. Sin embargo, como lo mencionan en el artículo, la relación que existe entre el polaritón y las excitaciones incoherentes de materia es incapaz de ser explicada por esta teoría, por lo que el reto se encuentra en explicar de manera teórica y experimental lo que sucede en estos casos.

La nanocavidad empleada por este grupo de trabajo consiste de dos espejos de plata que flanquean una capa delgada de eritrosina b dentro de una matriz de alcohol polivinílico. “Esa configuración se llama cavidad (o nanocavidad), porque confina la luz y resuena. Es decir que la luz es intensificada dentro de la cavidad misma, donde nosotros pusimos el medio activo, que son moléculas orgánicas en alta concentración en este caso, pero no está limitado a una molécula orgánica. Es en la cavidad donde sucede el acoplamiento entre la luz y la materia, de tal manera que se crean los polaritones”, explicó el Dr. Pirruccio. El acoplamiento colectivo de las moléculas orgánicas en la cavidad da lugar a que existan dos ramas de cuasipartículas que pueden ser entendidas como polaritones inferiores y polaritones superiores.

Sin importar la característica orgánica o inorgánica que se coloque en la cavidad, lo relevante es la temperatura a la que se encuentra. “Para que los efectos polaritónicos se vean a temperatura ambiente es necesario que el excitón (que es la excitación fundamental de la materia) sea suficientemente fuerte, que viva a temperatura ambiente”, comentó el investigador. Aunque existen trabajos que se realizan a una temperatura de 4K, esta situación acarrea condiciones limitantes, como la eliminación de ciertas vibraciones o la falta de rotación por parte de la molécula, en tanto que la coherencia de los estados cuánticos es diferente a una temperatura baja o ultrabaja. “En los últimos 5 años, la gente comenzó a hacer trabajos sobre estas moléculas orgánicas en cavidades que funcionan a temperatura ambiente y el precio que se paga es este, que ya no se tiene lo mismo que antes”, apuntó.

Con este trabajo, además de mostrar su propuesta, el grupo académico también propone presentar atención en el tipo de objeto cuántico con el que se trabaja, en tanto que existe la posibilidad de que surjan defectos derivados de las mediciones. “Uno debe tomar en consideración todo el sistema. En experimentos más complicados van a existir diferencias, porque no tienen la misma coherencia y se cuenta con un estado cuántico que está hecho no solamente por luz y un estado de materia, sino que también por varios estados de la materia”, mencionó. También deben contemplarse distintos elementos acoplados a la transición, como los niveles energéticos rotacionales y los vibracionales, por mencionar algunos.