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Polaritones: hijos de la luz y la materia

El estudio y aplicación de las propiedades eléctricas de los semiconductores supuso una revolución en el mundo de la electrónica y de los ordenadores, convirtiéndose en el componente fundamental de los mismos. Hoy estos materiales vuelven a ser objeto de estudio por parte de la comunidad científica. Investigadores de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) han analizado las interesantes propiedades de nuevas partículas: los polaritones.

Microcavidad con forma de pilar de unas centésimas de milímetro (Universidad de Sheffield) vista a través de un microscopio electrónico. Superimpuesta, una típica línea de emisión óptica, predicha por los investigadores de la UAM cuando luz y materia interaccionan fuertemente en las entrañas de este diminuto laboratorio cuántico.

Cuando la luz alcanza el semiconductor puede excitar electrones que, por interacción eléctrica atractiva, queden ligados al hueco que deja en el material. Se forma así una pseudo-partícula conocida como excitón. Tras una millonésima de segundo, el excitón está condenado a deshacerse emitiendo de nuevo el cuanto de luz o fotón. Si se encierran estos excitones en una cavidad óptica--un sistema de espejos donde la luz queda confinada durante un tiempo entre sus fronteras--, el fotón emitido puede ser reabsorbido por el material y el excitón puede resurgir.

Si este fenómeno coherente de reabsorción sucede más rápido que el tiempo que los fotones viven en la cavidad, nos adentramos en un régimen conocido como acoplo fuerte entre luz y materia, en el que excitones y fotones pierden su identidad para dar lugar a estas nuevas partículas híbridas conocidas como polaritones.

¿Qué se puede hacer con polaritones?

Los polaritones son, pues, partículas hijas de la luz y la materia. Gracias a su herencia material pueden interaccionar y asociarse en grandes números formando estados donde la física cuántica, aquella de lo microscópico, se manifiesta macroscópicamente. Tales estados, los célebres "condensados de Bose Einstein", presentan propiedades sorprendentes como la superfluidez o flujo sin resistencia. Gracias a la herencia lumínica de los polaritones, todo esto puede ser estudiado a través de la luz que irradian, que no es menos especial, pues se trata de luz láser. Es de esperar que las posibles aplicaciones tecnológicas de los polaritones sean aún más espectaculares: nuevos dispositivos optoelectrónicos como, por ejemplo, láseres de bajo consumo, o la realización del tan buscado ordenador cuántico. Pero para hacer realidad estas y otras promesas de los polaritones, es necesario que sobrevivan y mantengan su identidad (o coherencia) frente al difícil medio material que habitan (o decoherencia).

¿Cómo mantener vivos los polaritones?

Investigadores de los Departamentos de Física de Materiales y de Física Teórica de la materia Condensada de la UAM han analizado teóricamente en profundidad este balance entre coherencia y decoherencia que los polaritones sufren y que pone en peligro su vida. Han llegado a modelizar y cuantificar con precisión las fuentes de decoherencia, que no solo provienen de la corta vida de los fotones en la cavidad, sino también de la interacción con otras entidades que habitan los sólidos (vibraciones, electrones sueltos... y de la propia forma de excitar el material y crear excitones. De esta manera, han podido definir un criterio claro para el acoplo fuerte y la supervivencia de los polaritones.

Estos trabajos han tenido un gran éxito, no solo porque ha permitido entender experimentos anteriores, sino también porque han provocado que varios grupos internacionales realicen nuevos experimentos en busca de efectos predichos por la teoría, motivando así y respaldando nuevos avances hacia las aplicaciones deseadas.

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Dynamics of the Formation and Decay of Coherence in a Polariton Condensate, E. del Valle, D. Sanvitto, F.P. Laussy, A. Amo, D. Ballarini, R. André, C. Tejedor and L. Viña. Phys. Rev. Lett. 103, 096404 (2009)

Collective fluid dynamics of a polariton condensate in a semiconductor microcavity, A. Amo, D. Sanvitto, F. P. Laussy, D. Ballarini, E. del Valle, M. D. Martin, A. Lemaître, J. Bloch, D. N. Krizhanovskii, M. S. Skolnick, C. Tejedor and L. Viña, Nature 457, 291 (2009)

Luminescence spectra of quantum dots in microcavities:
I. Bosons, F. P. Laussy, E. del Valle and C. Tejedor. Phys. Rev. B 79, 235325 (2009)
II. Fermions, E. del Valle, F. P. Laussy and C. Tejedor. Phys. Rev. B 79, 235326 (2009)

Effect of pure dephasing on the Jaynes-Cummings nonlinearities, A. Gonzalez-Tudela, E. del Valle, E. Cancellieri, C. Tejedor, D. Sanvitto and F.P. Laussy. arXiv:0907.1302 (2009)

[Strong-coupling of quantum dots in microcavities, F. P. Laussy, E. del Valle and C. Tejedor. Phys. Rev. Lett. 101, 083601 (2008)

Fuente: Universidad Autónoma de Madrid (UCCUAM)
Derechos: Creative Commons

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