Los científicos combinan luz y azúcar para crear nuevos estados de la materia

Los investigadores han desarrollado una técnica para capturar la luz dentro de un material orgánico, formando un estado cuántico híbrido que da lugar a nuevas propiedades físicas y químicas.

Un equipo internacional de investigadores dirigido por la Universidad de Ottawa volvió a la alacena de la cocina para crear una receta que combina materia orgánica y luz para crear estados cuánticos.

El profesor Jean-Michel Ménard, líder del grupo de Espectroscopía Ultrarrápida de Terahercios de la Facultad de Ciencias, se coordinó con el Dr. Claudiu Genes del Instituto Max Planck para la Ciencia de la Luz (Alemania) y con Iridian Spectral Technologies (Ottawa) para diseñar un Dispositivo que puede cambiar eficientemente las propiedades de los materiales mediante la superposición cuántica con la luz.

El equipo diseñó un resonador plano bidimensional, conocido como metasuperficie – eso captó la luz. Utilizando una técnica de recubrimiento por pulverización, luego depositaron una fina capa de glucosa en esa metasuperficie para inducir una fuerte interacción entre la luz y las moléculas de glucosa en el azúcar.

Su concepto acerca a los investigadores a ser tecnológicamente capaces de aprovechar algunas de las propiedades únicas de los sistemas cuánticos que caen en un estado híbrido de luz y materia.

Los profesores de la Facultad de Ciencias Ksenia Dolgaleva y Robert Boyd contribuyeron al trabajo junto con el profesor Menard, el autor principal, quien analizó los hallazgos publicados en Naturaleza Comunicaciones.

Pregunta: ¿Qué hiciste y qué encontraste?

Jean-Michel Ménard: «Presentamos una técnica innovadora y eficiente para sintetizar materiales orgánicos cuánticos combinando luz y materia. Cuando la luz en la región del infrarrojo lejano – en terahercios frecuencias (THz) – quedan atrapadas en material orgánico, pueden combinarse con moléculas, dando como resultado un estado cuántico que muestra propiedades únicas que son de creciente interés debido a su potencial aplicación para modificar las propiedades físicas y químicas de la materia. Estos estados intrigantes surgen sólo bajo condiciones específicas. Nuestro equipo identificó estas condiciones críticas y creó una «trampa fotónica» o dispositivo para confinar eficazmente la luz en un espacio de pequeño volumen durante un período de tiempo sustancial. Esta trampa permite que se establezca un fuerte régimen de acoplamiento entre la luz y el conjunto molecular».

“A diferencia de enfoques anteriores que se basaban en cavidades ópticas hechas de dos espejos enfrentados, diseñamos y probamos un resonador plano bidimensional conocido como metasuperficie. Esta metasuperficie permite efectivamente el confinamiento óptico dentro de una geometría plana, lo que abre nuevas vías prácticas para explorar el régimen cuántico de fuertes interacciones luz-materia.

«Finalmente, combinamos metasuperficies con geometrías de cavidades tradicionales para formar arquitecturas de cavidades híbridas y observamos una mejora en la fuerza de acoplamiento entre la luz y la materia. Estos resultados se demuestran con glucosa, un compuesto orgánico con propiedades útiles para los campos de la biología y la medicina».

P: ¿Por qué utilizar THz luz y azúcar?

JM: “La luz de terahercios es particularmente interesante porque puede inducir vibraciones en muchas moléculas, incluidas las moléculas de glucosa en el azúcar. La energía vibratoria de las moléculas está intrincadamente relacionada con sus propiedades, incluida su capacidad para entrar en reacciones químicas con otras moléculas. Por lo tanto, al diseñar plataformas que permitan un fuerte acoplamiento entre la luz de terahercios y la vibración de las moléculas, que son componentes fundamentales de las sustancias orgánicas, tenemos el potencial de cambiar sus propiedades para ganar control sobre los mecanismos que fundamentan la vida».

P: ¿Qué descubrió finalmente a través de su investigación?

JM: “Hemos descubierto enfoques eficientes para acoplar luz y materia en terahercios. El concepto más prometedor se basa en una superficie metálica estructurada, la metasuperficie, incorporada al diseño de una cavidad fotónica. De este modo, la luz se capta doblemente y permanece firmemente encerrada en el dispositivo.

“Nuestra sólida plataforma plug-and-play permite insertar potencialmente muchos materiales orgánicos dentro de este dispositivo para crear sistemas cuánticos con nuevas propiedades. Esto se debe al hecho de que no se requiere una alineación precisa del dispositivo para capturar la luz, ya que esta condición crítica la satisface principalmente la geometría del modelo de metasuperficie metálica. Curiosamente, dado que existen técnicas de fabricación escalables para fabricar metasuperficies que interactúan con la luz de terahercios, creemos que estos dispositivos pueden usarse con relativa rapidez para aplicaciones de la vida real de reacciones químicas mejoradas cuánticamente».

P: ¿Qué tipo de impacto podría tener esta investigación?

JM: “Estos resultados nos acercan a ser tecnológicamente capaces de aprovechar algunas de las propiedades únicas de los sistemas cuánticos que consisten en un estado hibridado de luz y materia. Al llevar a cabo un estudio teórico y experimental sistemático de diferentes tipos de resonadores fotónicos, descubrimos algunos nuevos diseños de resonadores fotónicos que pueden crear una superposición cuántica entre material molecular, glucosa y luz en una región específica de la ventana espectral del infrarrojo lejano llamada región de terahercios. Trabajos anteriores han demostrado que este proceso de hibridación, cuando involucra luz de terahercios, modifica las propiedades físicas y químicas originales del material. Por ejemplo, la presencia de un resonador fotónico puede cambiar la velocidad de algunas reacciones químicas que involucran ese material.

«En el futuro, creemos que este enfoque puede ayudar a regular algunos procesos moleculares, lo que conducirá a una aplicación en medicina para diagnósticos rápidos y estrategias terapéuticas potencialmente nuevas».

Referencia: «Arquitecturas híbridas para polaritónica molecular de terahercios» por Ahmed Jaber, Michael Reitz, Avinash Singh, Ali Maleki, Yongbao Xin, Brian T. Sullivan, Ksenia Dolgaleva, Robert W. Boyd, Claudiu Genes y Jean-Michel Ménard, 24 de mayo de 2024 , Comunicaciones de la naturaleza.
DOI: 10.1038/s41467-024-48764-6