Representación de una cavidad fotónica formada por dos espejos de redes de Bragg (en la imagen caracterizados por capas negras y rojas) en donde se ha alojado en medio de la cavidad un semiconductor bidimensional (caracterizado como una red atómica amarilla). Con este tipo de sistemas se pueden estudiar las cuasipartículas llamadas polaritón-excitón.

 

Con este nivel me acerco peligrosamente a la investigación que estoy realizando actualmente, por aquello de no haberla publicado aún. Desde hace un año estoy trabajando en el Australian Research Council Centre of Excellence for Engineered Quantum Systems (ARC EQUS), en Sídney (Australia). Vine hasta aqui para seguir investigando sobre átomos artificiales, pero esta vez dejaba atrás a mis viejos amigos los puntos cuánticos para encontrarme de frente con una fauna nueva: los polaritones. En concreto para trabajar con el polaritón-excitón. Y diréis, ¿y qué diablos es un polaritón? Como podréis imaginar, y seguro que alguno de vosotros ya lo habrá intuido, un polaritón es otra cuasipartícula. Pero si las cuasipartículas normales se presentan como “espectros fantasmagóricos”, como ya expliqué en el octavo nivel de esta serie, la cuasipartícula polaritón es doblemente fantasmagórica (o triplemente, si incluimos al hueco del excitón, descrito en el anterior nivel). Su naturaleza es mitad materia – mitad luz. Mejor dicho, su artificialidad combina propiedades de los excitones en una red cristalina, enlazados con fotones, que son las partículas de la radiación electromagnética (de la luz). Existen varios tipos de polaritones, dependiendo de qué tipo de cuasipartícula esté interaccionando con la luz. Hay polaritones donde el fotón se enlaza con una vibración masiva de electrones en metales, cuasipartícula que se llama plasmón. Otros polaritones donde el fotón se enlaza con un fonón, esa cuasipartícula que describe la vibración mecánica de los iones en una red cristalina de la que hablé en el octavo nivel. También existen polaritones donde el fotón se enlaza con un excitón, cuasipartícula que habita los semiconductores y que conocimos en el anterior nivel cuando expliqué las características de los puntos cuánticos. En este último caso hablamos del polaritón-excitón.

En el año 2006 se publicó un artículo bajo la dirección de dos investigadores italianos, donde se proponía que el concepto de punto cuántico se podía trasladar hacia la propia luz, hacia los polaritones. Para poder formar polaritones, como por ejemplo el polaritón-excitón, se necesita un base material para poder controlar los excitones. O lo que es lo mismo, necesitaremos diseñar estructuras semiconductoras. Por otra parte, necesitaremos una base fotónica, u óptica, para controlar las características del fotón/luz. Este control óptico convencionalmente se consigue a través de la incorporación de una cavidad. O lo que es lo mismo, dos espejos que reflejen la luz entre el material semiconductor. La luz, desde el punto de vista cuántico, se compone por fotones, partículas de carácter bosónico que transmiten la fuerza electromagnética. Los electrones, por el contrario, son fermiones. Fermiones y bosones son partículas de naturaleza distinta, que obedecen a una estadística de distribución energética opuesta. Podemos decir que los fermiones obedecen el principio de exclusión de Pauli, que impide que dos partículas iguales ocupen el mismo estado. Por el contrario, los bosones no siguen este principio de exclusión. Cada estado bosónico puede estar ocupado por muchos bosones. Dependiendo de la naturaleza del excitón, el enlace en el polaritón se producirá entre un bosón (el fotón) y otro bosón (el excitón), o entre un bosón (el fotón) y un fermión (el excitón). La modulación de la naturaleza bosónica o fermiónica del excitón tipicamente se consigue usando semiconductores masivos o puntos cuánticos semiconductores, respectivamente. Digamos que si el excitón reside en un semiconductor sin un confinamiento espacial se comportará como un bosón. Sin embargo, si el excitón reside en un punto cuántico, donde queda confinado en todas sus dimensiones, el excitón se comportará como un fermión. Podemos decir que el efecto de confinamiento en un punto cuántico fermioniza a sus excitones. Es precisamente por este efecto de fermionización de los excitones por lo que podemos llamar átomos artificiales a los puntos cuánticos. La novedad del artículo de los investigadores italianos residía en que su modelo de punto fotónico proporcionaba otro ejemplo de átomo artificial usando el control del polaritón-excitón, pero en este caso la naturaleza del excitón era bosónica. Pero ¿cómo puede generarse una respuesta fermiónica, asociada a las características de un átomo artificial, usando sólo bosones? En su artículo comentaban que si la cavidad óptica usada para generar el polaritón se pudiese controlar para generar volúmenes de interacción lo suficientemente pequeños en el semiconductor, las interacciones entre los propios polaritones se harían cada vez más importantes, hasta el punto de que esas interacciones comenzarían a corregir la energía asociada a cada uno de esos estados polaritónicos. Es algo muy similar a lo que sucedía en el caso de las uniones Josephson (descritas en el octavo nivel). En este caso el modelo lineal se convierte en un modelo no lineal a través de las interacciones polaritón-polaritón de orden superior, generando un sistema de polaritones fermionizado. O lo que es lo mismo, un punto fotónico: un átomo artificial mitad luz-mitad materia. Usando la metáfora del taller de un artesano, con nuestras manos de luz damos forma tanto a la arcilla como a su sombra, a lo real como a su ficción, a lo natural y a su artificialidad, a la ciencia y al arte que deviene de ella. Ver para tocar, que diría el poeta.