Una nueva cuasipartícula que es en parte materia, en parte luz ha surgido en experimentos realizados por investigadores del City College de Nueva York, EE. UU., quienes la observaron acoplando la luz a una pila de antiferromagnetos bidimensionales ultrafinos. El trabajo podría tener implicaciones para dispositivos como láseres o para el almacenamiento de datos digitales.
Acoplar fuertemente la luz a la materia es una forma bien conocida de diseñar propiedades como el magnetismo, la superconductividad y la ferroelectricidad en materiales cuánticos. Una forma de hacerlo es estableciendo interacciones entre partículas elementales y microcavidades ópticas, que son estructuras en las que la luz se refleja de un lado a otro entre dos o más espejos.
Fotones fuertemente acoplados con excitones correlacionados por espín
En el nuevo trabajo, investigadores dirigidos por Vinod Menón estudió un material con la fórmula química NiPS3. Este material pertenece a una familia química conocida como tiofosfatos de metales de transición, y los físicos de materia condensada lo conocen como un aislante magnético de van der Waals (vdW), es decir, un material bidimensional que contiene partículas fuertemente correlacionadas que dan lugar a una variedad de fases electrónicas y magnéticas.
Cuando los investigadores colocaron una pila de NiPS ultrafinos3 capas dentro de una microcavidad óptica, observaron un fuerte acoplamiento entre los excitones correlacionados por espín (cuasipartículas hechas de pares electrón-hueco) en el material y los fotones atrapados entre los espejos de la cavidad. Este acoplamiento fotón-excitón dio lugar a un tipo de cuasipartícula previamente no observada conocida como excitón-polaritón que tiene propiedades de excitones, fotones y espines.
Parte luz, parte materia
Como estas nuevas cuasipartículas son, en efecto, "luz parcial", se comportan como fotones en muchos aspectos, dice Florian Dirnberger, quien es el autor principal de un artículo en Naturaleza Nanotecnología en el trabajo. “Sin embargo, su parte de materia proviene de un material magnético, por lo que sus propiedades están fuertemente ligadas al orden antiferromagnético del material”, agrega. "Esto da lugar a una fuerte polarización lineal".
Aparece el efecto Josephson anómalo en un aislador topológico
Según los investigadores, este enfoque de interfaz de luz con materiales magnéticos es un camino prometedor hacia efectos magneto-ópticos eficientes que podrían tener aplicaciones en láseres y en almacenamiento de datos digitales. Además, la nueva clase de cuasipartículas magnéticas podría usarse para la transducción cuántica a través de interacciones entre magnones de baja frecuencia (oscilaciones colectivas de los momentos magnéticos de espín de un material), excitones de alta frecuencia y luz visible.
Los miembros del equipo dicen que ahora planean ampliar su estudio en un intento por comprender mejor el papel del vacío electrodinámico cuántico cuando los materiales cuánticos se colocan en cavidades ópticas. Esperan realizar nuevas fases cuánticas de la materia que no tengan equivalente en el régimen clásico (equilibrio termodinámico).
