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Las moléculas fotónicas son una forma natural teórica de materia que también se puede fabricar artificialmente en la que los fotones se unen para formar " moléculas ". [1] [2] [3] Se predijeron por primera vez en 2007. Las moléculas fotónicas se forman cuando los fotones individuales (sin masa) "interactúan entre sí con tanta fuerza que actúan como si tuvieran masa". [4] En una definición alternativa (que no es equivalente), los fotones confinados a dos o más cavidades ópticas acopladas también reproducen la física de los niveles de energía atómica que interactúan, y se han denominado moléculas fotónicas.

Los investigadores establecieron analogías entre el fenómeno y el " sable de luz " ficticio de Star Wars . [4] [5]

Construcción [ editar ]

Se bombearon átomos de rubidio gaseosos a una cámara de vacío. La nube se enfrió utilizando láseres hasta unos pocos grados por encima del cero absoluto. Utilizando pulsos de láser débiles, se dispararon pequeñas cantidades de fotones a la nube. [4]

Cuando los fotones entraron en la nube, su energía excitó a los átomos a lo largo de su camino, lo que les hizo perder velocidad. Dentro del medio de la nube, los fotones se acoplaron de manera dispersa a átomos que interactuaban fuertemente en estados de Rydberg altamente excitados . Esto provocó que los fotones se comportaran como partículas masivas con una fuerte atracción mutua (moléculas de fotones). Finalmente, los fotones salieron juntos de la nube como fotones normales (a menudo entrelazados en pares). [4]

El efecto es causado por el llamado bloqueo de Rydberg , que, en presencia de un átomo excitado, evita que los átomos cercanos se exciten en el mismo grado. En este caso, cuando dos fotones entran en la nube atómica, el primero excita un átomo, aniquilándose en la interacción, pero la energía transmitida debe avanzar dentro del átomo excitado antes de que el segundo fotón pueda excitar los átomos cercanos. En efecto, los dos fotones se empujan y tiran entre sí a través de la nube a medida que su energía pasa de un átomo al siguiente, lo que los obliga a interactuar. Esta interacción fotónica está mediada por la interacción electromagnética entre fotones y átomos. [4]

Posibles aplicaciones [ editar ]

La interacción de los fotones sugiere que el efecto podría emplearse para construir un sistema que pueda preservar la información cuántica y procesarla utilizando operaciones de lógica cuántica. [4]

El sistema también podría ser útil en la computación clásica, dada la potencia mucho menor requerida para manipular fotones que electrones. [4]

Puede ser posible disponer las moléculas fotónicas de tal manera dentro del medio que formen estructuras bidimensionales más grandes (similares a los dibujos). [4]

Interacción de cavidades ópticas como moléculas fotónicas [ editar ]

El término molécula fotónica también se ha utilizado desde 1998 para un fenómeno no relacionado que involucra microcavidades ópticas que interactúan electromagnéticamente. Las propiedades de los estados de fotones confinados cuantificados en micro y nanocavidades ópticas son muy similares a las de los estados de electrones confinados en los átomos. [6] Debido a esta similitud, las microcavidades ópticas pueden denominarse "átomos fotónicos". Llevando esta analogía aún más lejos, un grupo de varios átomos fotónicos acoplados mutuamente forma una molécula fotónica. [7] Cuando los átomos fotónicos individuales se acercan, sus modos ópticos interactúan y dan lugar a un espectro de supermodos hibridados de moléculas fotónicas. [8] Esto es muy similar a lo que sucede cuando se acoplan dos sistemas aislados, como doshidrógeno orbitales atómicos que se unen para formar la unión y antienlazante orbitales de la molécula de hidrógeno , que son hibridadas super-modos del sistema total de acoplado.

"Una pieza de semiconductor del tamaño de un micrómetro puede atrapar fotones en su interior de tal manera que actúen como electrones en un átomo. Ahora, la PRL del 21 de septiembre describe una forma de unir dos de estos" átomos fotónicos ". El resultado de tal La relación cercana es una "molécula fotónica", cuyos modos ópticos se parecen mucho a los estados electrónicos de una molécula diatómica como el hidrógeno ". [9] "Las moléculas fotónicas, nombradas por analogía con las moléculas químicas, son grupos de microcavidades o" átomos fotónicos "que interactúan electromagnéticamente localizados de cerca". [10] "Las microcavidades acopladas ópticamente han surgido como estructuras fotónicas con propiedades prometedoras para la investigación de la ciencia fundamental, así como para sus aplicaciones". [11]

La primera realización fotónica del sistema de dos niveles de una molécula fotónica fue por Spreew et al., [12] quienes usaron fibras ópticas para realizar un resonador de anillo , aunque no usaron el término "molécula fotónica". Los dos modos que forman la molécula podrían ser los modos de polarización del anillo o los modos del anillo en sentido horario y antihorario. A esto siguió la demostración de una molécula fotónica fabricada litográficamente, inspirada en una analogía con una molécula diatómica simple. [13]Sin embargo, se han propuesto otras estructuras de PM inspiradas en la naturaleza (como el "benceno fotónico") y se ha demostrado que admiten modos ópticos confinados muy análogos a los orbitales moleculares del estado fundamental de sus homólogos químicos. [14]

Las moléculas fotónicas ofrecen ventajas sobre los átomos fotónicos aislados en una variedad de aplicaciones, incluida la detección bio (química), [15] [16] optomecánica de cavidades, [17] [18] y microláseres, [19] [20] [21] [22 ] Las moléculas fotónicas también se pueden utilizar como simuladores cuánticos de la física de muchos cuerpos y como componentes básicos de las futuras redes ópticas de procesamiento de información cuántica. [23]

En completa analogía, los grupos de nanopartículas metálicas, que soportan estados de plasmones superficiales confinados, se han denominado "moléculas plasmónicas". [24] [25] [26] [27] [28]

Finalmente, también se han propuesto y demostrado moléculas híbridas fotónico-plasmónicas (u opto-plasmónicas). [29] [30] [31] [32]

Ver también [ editar ]

  • Fotoluminiscencia
  • Éter luminífero

Referencias [ editar ]

  1. ^ Shen, Jung-Tsung; Fan, Shanhui (13 de abril de 2007). "Transporte de dos fotones fuertemente correlacionado en una guía de ondas unidimensional acoplada a un sistema de dos niveles". Cartas de revisión física . 98 (15): 153003. arXiv : quant-ph / 0701170 . Código bibliográfico : 2007PhRvL..98o3003S . doi : 10.1103 / PhysRevLett.98.153003 . PMID  17501344 . S2CID  37715281 .
  2. ^ Shen, Jung-Tsung; Fan, Shanhui (27 de diciembre de 2007). "Transporte de múltiples partículas fuertemente correlacionado en una dimensión a través de una impureza cuántica". Physical Review A . 76 (6): 062709. arXiv : 0707.4335 . Código Bibliográfico : 2007PhRvA..76f2709S . doi : 10.1103 / PhysRevA.76.062709 .
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Enlaces externos [ editar ]

  • http://prl.aps.org/abstract/PRL/v81/i12/p2582_1