Físicos de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) han logrado controlar las ‘oscilaciones de Rabi’ en polaritones, un tipo de cuasipartículas compuestas de luz y materia. El avance tiene importantes implicaciones en la física de láseres y la optoelectrónica.
En un trabajo publicado en la revista Physical Review Letters investigadores de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) han demostrado por primera vez cómo controlar las oscilaciones de Rabi en polaritones. Estos son cuasipartículas compuestas por luz y materia que pueden ser creadas dirigiendo una luz láser dentro de una microcavidad semiconductora.
También pueden ser excitados en dos estados diferentes (inferior y superior). Esta excitación puede ser transferida de la luz a la materia, y viceversa, estableciéndose un intercambio continuo y simétrico, que es el fenómeno conocido como ‘oscilaciones de Rabi’. Su descripción, en el contexto de la resonancia magnética nuclear, le mereció a Isidor Isaac Rabi el Premio Nobel de Física en 1944.
Las oscilaciones de Rabi se presentan en una escala de tiempo extremadamente corto, del orden de un picosegundo (la billonésima parte de un segundo), y han sido medidas en una variedad de sistemas que acoplan campos cuánticos.
La pasada semana, investigadores del grupo de Elena del Valle y Fabrice Laussy de la UAM, en colaboración con el grupo de Daniele Sanvitto en Lecce (Italia) y otros grupos de Colombia y Francia, reportaron haber controlado por primera vez las oscilaciones de Rabi en polaritones.
“Además de demostrar experimentalmente que es posible ejercer un control casi total de las oscilaciones de Rabi, hemos desarrollado un modelo óptico-cuántico que proporciona una excelente descripción de los resultados observados”, afirma David Colas, coautor del trabajo e investigador del Departamento de Física de la Materia Condensada de la UAM.
Los investigadores también demostraron que es posible establecer cualquier estado cuántico de los polaritones usando una sucesión de pulsos de luz láser con duración de femtosegundos.
“En otras palabras, estamos en condiciones de cancelar las oscilaciones, de congelar el sistema en uno de sus dos estados posibles (inferior o superior) y de obtener una amplificación de las oscilaciones de Rabi. Incluso podemos aniquilar completamente los campos de luz y materia”.
Según los autores, el control de las oscilaciones de Rabi en polaritones abre la puerta a múltiples aplicaciones, como el desarrollo de nuevas fuentes de luz láser, la implementación de la computación cuántica y la fabricación de nuevos tipos de dispositivos optoelectrónicos (dispositivos que trabajan conjuntamente con señales ópticas y electrónicas).
Microcavidades semiconductoras y polaritones
Una microcavidad semiconductora es una estructura micrométrica formada por dos espejos tan eficientes que permiten confinar la luz. Los efectos más interesantes de estas microcavidades aparecen cuando se introduce en ellas un medio activo capaz de interactuar con la luz atrapada. Este medio puede ser un pozo cuántico, que atrapa electrones de forma análoga a como un pozo tradicional confina agua.
La luz y la materia confinadas en una microcavidad interactúan tan fuertemente que dan surgimiento a los polaritones, los cuales heredan muchas de las propiedades de sus partes constituyentes, como la baja masa efectiva (propia de la luz) y la robusta capacidad de interactuar (propia de la materia).
Los científicos crean polaritones dirigiendo un haz de luz láser dentro de una microcavidad. Los fotones, una vez introducidos en la cavidad, rebotan entre los dos espejos; al pasar a través del pozo cuántico, se acoplan con las partículas de materia, dando surgimiento a los polaritones. Estos desaparecen cuando los fotones escapan de la cavidad.
Referencia bibliográfica:
L. Dominici, D. Colas, S. Donati, J. P. Restrepo Cuartas, M. De Giorgi, D. Ballarini, G. Guirales, J. C. López Carreño, A. Bramati, G. Gigli, E. del Valle, F. P. Laussy, and D. Sanvitto. Ultrafast control and Rabi oscillations of polaritons. Phys. Rev. Lett. 113, 226401, 25 de noviembre de 2014.
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