Hibridación molecular por vacío
Las interacciones entre átomos y moléculas se ven facilitadas por los campos electromagnéticos. Cuanto mayor es la distancia entre las partes implicadas, más débiles son estas interacciones mutuas. Para que las partículas puedan formar enlaces químicos naturales, la distancia entre ellas debe ser, por lo general, aproximadamente igual a su diámetro. Utilizando un resonador óptico que altera fuertemente el vacío cuántico, los científicos del Instituto Max Planck para la Ciencia de la Luz (MPL) han logrado por primera vez "unir" ópticamente varias moléculas a distancias mayores.
Los físicos crean así experimentalmente estados sintéticos de moléculas acopladas, sentando así las bases para el desarrollo de nuevos estados híbridos luz-materia.
Los átomos y las moléculas tienen niveles de energía claramente definidos y discretos. Cuando se combinan para formar una nueva molécula, los estados energéticos cambian. Este proceso se denomina hibridación molecular y se caracteriza por el solapamiento de los orbitales electrónicos, es decir, las zonas donde suelen residir los electrones. Sin embargo, a una escala de unos pocos nanómetros, la interacción se vuelve tan débil que las moléculas ya no son capaces de comunicarse entre sí
Un equipo dirigido por el profesor Vahid Sandoghdar, director del MPL y jefe de la División de "Nano-Óptica", ha conseguido por primera vez acoplar moléculas espacialmente separadas mediante un campo de vacío modificado en un microresonador óptico.
En el interior de un microresonador plano-cóncavo de alta calidad, es decir, entre dos espejos de calidad excepcional, se puede almacenar luz durante un largo periodo de tiempo. Los científicos insertan un microcristal de antraceno dopado con moléculas de colorante específicas en el resonador, que sólo tiene unos pocos micrómetros de diámetro. Mediante espectroscopia láser de alta resolución, el equipo investiga la interacción de las moléculas y su hibridación con el modo del resonador. La aparición de nuevas características en el espectro resultante indica alteraciones en los estados energéticos moleculares, como los llamados modos subradiante y superradiante: Los estados subradiantes emiten con menos intensidad que antes, mientras que los estados superradiantes interactúan más intensamente con la luz.
Una consecuencia notable de la hibridación de dos moléculas es que entonces pueden elevarse al estado excitado simultáneamente. Esto significa que ya no son completamente independientes la una de la otra. Para conseguirlo, se absorben dos fotones del resonador. En este trabajo se produce por primera vez una excitación bifotónica de dos moléculas muy alejadas entre sí. Por separado, cada fotón no muestra ningún efecto, pero juntos activan ambas moléculas simultáneamente. Ni las moléculas ni los fotones pueden actuar solos - pero en armonía, lo consiguen.
Sandoghdar: "Los estados cuánticos suelen ser muy frágiles, por lo que es un reto acoplar varias moléculas".
"Nuestro trabajo sienta las bases para el desarrollo de nuevos estados en los que partículas materiales, como las moléculas, se 'pegan' con luz. La investigación de un número definido con precisión de emisores que interactúan es también un elemento importante para el procesamiento de la información cuántica y, por tanto, de gran interés en la tecnología cuántica", añade Sandoghdar.
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