Un equipo de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) propone combinar dos redes periódicas de luz confinada y emisores cuánticos, para formar «polaritones cristalinos», excitaciones híbridas de luz y materia
Un equipo de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) ha propuesto una nueva vía para generar luz cuántica —por ejemplo, pares de fotones entrelazados— de forma mucho más eficiente, con posibles aplicaciones en computación y comunicaciones cuánticas. Su propuesta se basa en los «polaritones cristalinos», excitaciones híbridas que combinan propiedades de la luz y la materia.
El estudio, publicado en Physical Review Letters, está liderado por Johannes Feist y Francisco José García Vidal, del Departamento de Física Teórica de la Materia Condensada y el Centro de Física de la Materia Condensada (IFIMAC) de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM). Completan el equipo Carlos José Sánchez Martínez y Frieder Lindel, primer autor del trabajo (actualmente en la ETH Zürich, Suiza).
Dos redes que combinan luz y materia
Cuando la luz se confina en un espacio reducido e interactúa con un átomo o una molécula, ambos pueden intercambiar energía tan rápidamente, antes de que esta se pierda, que sus excitaciones se combinan. Este fenómeno, conocido como acoplamiento fuerte, da lugar a estados híbridos de luz y materia y permite estudiar y controlar procesos cuánticos.
En las cavidades ópticas convencionales, esta interacción tiene lugar entre modos de luz y excitaciones de la materia localizados en una región pequeña. El nuevo trabajo traslada ese principio a dos redes periódicas que se extienden sobre una superficie.
Una de ellas es una metasuperficie: una lámina con estructuras nanométricas que se repiten de forma regular y permiten confinar y controlar la luz. La otra está formada por emisores cuánticos, como átomos, moléculas o defectos en materiales, también dispuestos de manera periódica.
Cuando ambas redes comparten la misma periodicidad y sus excitaciones están en resonancia, pueden alcanzar el acoplamiento fuerte. Así surgen los polaritones cristalinos, que combinan las excitaciones colectivas de los emisores con la luz de la metasuperficie.
Un nuevo método teórico
Para describir este sistema, los autores han desarrollado un método teórico que traduce el comportamiento electromagnético de una metasuperficie, incluidas sus pérdidas de energía, a un modelo cuántico similar al de una cavidad convencional, con el que se puede calcular la interacción entre luz y materia.
El equipo ha aplicado el método a dos estructuras: una red de nanoesferas de plata y otra de silicio, que confinan la luz mediante mecanismos diferentes. En la configuración de silicio analizada, cuyas resonancias tienen pérdidas muy bajas, los cálculos indican que basta con un emisor por celda —la unidad que se repite en la red— para alcanzar el acoplamiento fuerte.
Según los autores, todos los elementos del sistema están al alcance de la tecnología actual, aunque uno de los principales retos experimentales será colocar cada emisor con precisión respecto a la metasuperficie.
Una vía para generar pares de fotones entrelazados
Los polaritones cristalinos heredan una respuesta óptica no lineal de los emisores individuales: su comportamiento no varía de forma proporcional a la intensidad de la luz que reciben. Esta propiedad permite que las interacciones entre polaritones produzcan efectos cuánticos incluso con pocas excitaciones. Basta con una densidad de un polaritón por cada cuadrado de unos 3 micrómetros de lado —un área que abarca decenas de celdas de la red— para que la presencia de un polaritón desplace la energía de un segundo polaritón más que la anchura natural de su resonancia, un régimen que en los polaritones "tradicionales" en semiconductores o moléculas orgánicos requeriría concentrarlos en áreas mucho menores.
Así, al iluminar el sistema con un láser sería posible generar pares de fotones entrelazados, cuyas propiedades están vinculadas de una forma que no puede explicarse mediante la física clásica. Según los cálculos de los autores, el factor que determina la eficiencia de este proceso es al menos catorce órdenes de magnitud —cien billones de veces— mayor que en las metasuperficies no lineales convencionales. Estas necesitan láseres extremadamente intensos para alcanzar eficiencias modestas, mientras que el nuevo sistema lograría eficiencias mayores con láseres billones de veces menos intensos.
"Nuestros resultados muestran que las metasuperficies, vistas hasta ahora como simples elementos para dar forma a la luz clásica, pueden convertirse en una plataforma versátil para estudiar y controlar materia cuántica periódica", explica Johannes Feist, investigador de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) y uno de los líderes del estudio. "Tratar la luz y la materia como copartícipes nos permite diseñar polaritones cristalinos muy distintos simplemente cambiando la geometría de la red o la posición del emisor dentro de ella".
Entre las posibilidades futuras, los autores señalan la extensión del modelo a redes más densas y el estudio de modos de luz quirales y estados topológicos, con posibles aplicaciones en sensores y dispositivos cuánticos.
Referencia bibliográfica:
F. Lindel, C. J. Sánchez Martínez, J. Feist y F. J. García-Vidal. "Close Encounters between Periodic Light and Periodic Arrays of Quantum Emitters". Physical Review Letters 137, 103802 (2026). DOI: 10.1103/71nx-b83j.
