Los fotones atrapados hacen que el titanato de estroncio sea ferroeléctrico

Los fotones atrapados en una cavidad pueden hacer que un cristal conocido como titanato de estroncio (SrTiO₃) se vuelva ferroeléctrico, según un nuevo estudio del grupo de teoría del MPSD. Los fotones que se crean y destruyen aleatoriamente en el vacío de una cavidad -según determinan las leyes de la mecánica cuántica- pueden cambiar significativamente la forma en que se comportan los electrones y átomos del material, como en el caso del SrTiO₃. Estas predicciones teóricas, publicadas ahora en PNAS, demuestran el gran potencial de la luz confinada para el conjunto de herramientas de la ingeniería de materiales.

Los descubrimientos del equipo allanan el camino para la exploración de nuevas fases mixtas de luz y materia, denominadas "fotoestados terrestres". Se trata de fases en las que los átomos y electrones del material han alcanzado un estado nuevo y estable tras mezclarse fuertemente con la luz confinada.

Las fases de los materiales, como las magnéticas, las superconductoras o las de ferroelectricidad, entre otras, están determinadas por el comportamiento colectivo de los átomos y electrones del material. Cuando estos componentes microscópicos se ven obligados a interactuar fuertemente con la luz, su comportamiento colectivo puede cambiar por completo y el material puede alcanzar una nueva fase estable. En este sentido, la luz puede considerarse ahora como una herramienta adicional para diseñar las fases de los materiales y adaptar sus propiedades a aplicaciones tecnológicas específicas, como el procesamiento de la información, la detección o la captación de la luz.

El equipo de MPSD predice un novedoso fotoestado base para el cristal de SrTiO₃ una vez que se coloca dentro de una cavidad óptica (véase la ilustración), en la que las dos placas metálicas de la cavidad aprisionan la luz en una estrecha región del espacio. Esto potencia la interacción entre los fotones y las partículas del material incrustado. En SrTiO₃, los átomos de titanio con carga positiva pueden vibrar con respecto a los de oxígeno con carga negativa, lo que genera dipolos oscilantes. En el estado básico habitual, estas vibraciones se producen únicamente como movimientos aleatorios de los iones, las llamadas fluctuaciones cuánticas, que normalmente se anulan entre sí y no tienen ningún efecto observable.

Sin embargo, la cavidad óptica provoca un comportamiento fundamentalmente diferente en SrTiO₃. La descripción atomística del equipo de la teoría MPSD muestra que las fluctuaciones del vacío de los fotones en la cavidad pueden, a su vez, alterar colectivamente las fluctuaciones cuánticas de los núcleos del material. Como resultado, los dipolos oscilantes comienzan a oscilar juntos en lugar de moverse aleatoriamente y generan un campo eléctrico macroscópico distinto de cero. Ahora la fase ferroeléctrica -la fase con el campo eléctrico macroscópico finito- se convierte en el estado base favorecido en lugar de la fase paraeléctrica cuántica en la que no hay campo eléctrico macroscópico.

Así, las intrincadas propiedades del cristal de SrTiO₃, como su estructura cristalina y sus frecuencias vibracionales, se modifican al añadir fotones atrapados a la imagen. Esto exige una ampliación del diagrama de fases estándar para incluir la nueva dimensión de acoplamiento luz-materia. Ahora la fase de un material no sólo puede controlarse con la presión y la temperatura, sino también a través del acoplamiento de la materia a la luz.

"Nuestro descubrimiento se basa en la naturaleza mecánica cuántica fundamental de la materia y la luz y en cómo ambas pueden alterar conjuntamente las propiedades de un material", afirma la autora principal, Simone Latini, investigadora postdoctoral y becaria Humboldt en el MPSD. "Este estudio ya ha motivado a varios colaboradores experimentales de todo el mundo para demostrar la existencia del estado base propuesto".

El equipo está ahora a la caza del siguiente fotoestado base para abrir nuevas vías de innovación en la ingeniería de materiales de cavidades.