Un cuanto de luz para la ciencia de materiales

Las simulaciones por ordenador que predicen el cambio inducido por la luz en las propiedades físicas y químicas de los sistemas complejos, moléculas, nanoestructuras y sólidos generalmente ignoran la naturaleza cuántica de la luz. Científicos del Instituto Max-Planck para la estructura y dinámica de la Materia (MPSD), dirigidos por el catedrático Ángel Rubio, del Departamento de Física de Materiales de la UPV/EHU y Director del Departamento de Teoría de la MPSD, han demostrado cómo pueden incluirse adecuadamente los efectos de los fotones en estos cálculos. Este estudio abre la posibilidad de predecir y controlar el cambio de las propiedades de los materiales debido a la interacción con los fotones desde los principios fundamentales.

Los elementos básicos de los átomos, moléculas y sólidos son los núcleos, con carga positiva, y los electrones, cargados negativamente. Sus interacciones mutuas determinan la mayoría de las propiedades físicas y químicas de la materia, tales como la conductividad eléctrica o la absorción de la luz. Las leyes que rigen esta delicada interacción entre los electrones y los núcleos son las pertenecientes a la electrodinámica cuántica (QED), en la que las partículas interactúan mediante el intercambio de fotones, que son los cuantos de luz. Sin embargo, las ecuaciones de la QED son tan complejas que en la práctica los científicos tienen que simplificarlas para ser capaces de hacer cualquier predicción de materiales reales. Una simplificación muy común en química cuántica y física del estado sólido es despreciar la naturaleza cuántica de la luz. Aunque esta aceptación funciona bien para muchas aplicaciones, experimentos recientes han descubierto casos en los que la naturaleza cuántica de los fotones puede cambiar drásticamente las propiedades de los materiales y dar lugar a un nuevo comportamiento colectivo y de los fenómenos.

Para simular este tipo de situaciones en ordenador y teniendo en cuenta que las técnicas de simulación estándar generalmente ignoran a los fotones, el departamento de teoría de la MPSD, dirigido por el profesor Ángel Rubio, ha desarrollado un método teórico novedoso que también incluye la interacción con los fotones. La idea básica es tratar todo el sistema QED de partículas y fotones como un fluido cuántico. En el mismo, las partículas están representadas por una corriente de carga, y los fotones por un campo electromagnético clásico que actúa sobre la corriente de una manera muy compleja. En una reciente publicación en la prestigiosa revista Proceedings of the National Academy of Sciences, los autores han demostrado que esta aproximación puede describir exactamente la dinámica de un electrón que está atrapado en una superficie y que interactúa fuertemente con fotones. "La ventaja de esta reformulación del problema electrón-fotón acoplado es —dicen Johannes Flick y Michael Ruggenthaler,— que permite realizar aproximaciones que tratan a los fotones y las partículas en igualdad de condiciones. De esta manera, podemos llegar a nuevas técnicas de simulación que no desprecian los fotones y siguen siendo lo suficientemente simples para ser prácticas". Después de esta prueba de concepto, en un siguiente paso, el equipo de Ángel Rubio quiere usar la técnica desarrollada para investigar sistemas complejos en situaciones donde se supone que los fotones juegan un papel importante y, por tanto, conocer cómo se modifican las propiedades de los materiales. "Este estudio proporciona una nueva forma de controlar y alterar las reacciones químicas en los sistemas complejos, tales como biomoléculas, y diseñar nuevos estados de materia", indica el catedrático de la UPV/EHU Ángel Rubio.

Referencia bibliográfica

J. Flick, M. Ruggenthaler, H. Appel, A. Rubio. (2015) Kohn-Sham approach to quantum electrodynamical density-functional theory: Exact time-dependent effective potentials in real space. PNAS vol. 112 no. 50 http://dx.doi.org/10.1073/pnas.1518224112

Foto: UPV/EHU