La 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 UAM. Completan el equipo Carlos José Sánchez Martínez y Frieder Lindel, primer autor del trabajo (actualmente en la ETH Zürich, Suiza).
El fenómeno de acoplamiento fuerte, donde la luz y la materia intercambian energía rápidamente, da lugar a estados híbridos. El nuevo trabajo traslada este principio a dos redes periódicas que se extienden sobre una superficie: una metasuperficie con estructuras nanométricas y otra formada por emisores cuánticos (átomos, moléculas o defectos en materiales). Cuando ambas redes comparten la misma periodicidad y sus excitaciones están en resonancia, surgen los polaritones cristalinos.
Los autores han desarrollado un método teórico para describir este sistema, traduciendo el comportamiento electromagnético de la metasuperficie a un modelo cuántico. Aplicado a redes de nanoesferas de plata y silicio, los cálculos indican que basta con un emisor por celda en la configuración de silicio para alcanzar el acoplamiento fuerte, con elementos al alcance de la tecnología actual, aunque la precisión en la colocación de los emisores es un reto.
Los polaritones cristalinos heredan una respuesta óptica no lineal, permitiendo efectos cuánticos con pocas excitaciones. La eficiencia para generar pares de fotones entrelazados sería al menos catorce órdenes de magnitud mayor que en metasuperficies convencionales, requiriendo láseres mucho menos intensos.
"Nuestros resultados muestran que las metasuperficies [...] pueden convertirse en una plataforma versátil para estudiar y controlar materia cuántica periódica", explica Johannes Feist. "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".
Las posibilidades futuras incluyen la extensión del modelo a redes más densas y el estudio de modos de luz quirales y estados topológicos, con aplicaciones en sensores y dispositivos cuánticos.
