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» » Cuántica de la luz en la ciencia de materiales

Referencia: Alpha Galileo.org , 23 de diciembre 2015
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Las simulaciones por ordenador que predicen el cambio inducido por la luz en las propiedades físico-químicas de los sistemas complejos, las moléculas, las nanoestructuras y los sólidos, por lo general, ignoran la naturaleza cuántica de la luz.

La densidad de carga de un electrón (en azul)
cambia su forma debido a la interacción
con los fotones (en rojo). © J.M. Harms/MPSD
Los científicos del Instituto Max-Planck para la Estructura y Dinámica de la Materia (MPSD), dirigido por el profesor Ángel Rubio, de lUPV/EHU’s Department of Material Physics y director de su Departamento teórico, han mostrado cómo los efectos de la fotones pueden ser adecuadamente incluidos en estos cálculos. Este estudio abre la posibilidad de predecir y controlar el cambio de las propiedades de un material debido a la interacción con los fotones de sus comienzos.

Los bloques de construcción básicos de los átomos, moléculas y sólidos, son núcleos cargados positivamente y electrones cargados negativamente. Sus interacciones mutuas determinan la mayor parte de las propiedades físicas y químicas de la materia, como la conductividad eléctrica o la absorción de la luz. Las leyes que rigen esta delicada interacción entre los electrones y los núcleos son la electrodinámica cuántica (QED), donde las partículas interactúan a través del intercambio de fotones, que son los cuantos de luz. Sin embargo, las ecuaciones de QED son tan complejas que, en la práctica, los científicos tienen que simplificarlas para ser capaces de hacer cualquier predicción con los materiales reales. Una simplificación muy común en la química cuántica y en la física de estado sólido es descuidar la naturaleza cuántica de la luz. Aunque este supuesto funciona bien para muchas aplicaciones, en experimentos recientes han descubierto casos en los que la naturaleza cuántica de los fotones puede cambiar drásticamente las propiedades de los materiales dando lugar a nuevos comportamientos colectivos y fenómenos.

Para simular este tipo de situaciones en un ordenador, y teniendo en cuenta que las técnicas estándar de simulación generalmente descuidan los fotones, el departamento de teoría de MPSD, encabezado por el profesor Ángel Rubio, ha desarrollado un método teórico novedoso que incluye la interacción con los fotones. La idea básica es tratar a el sistema completo QED de partículas y fotones como un fluido cuántico. Aquí las partículas están representadas por una corriente de carga, y los fotones por un campo electromagnético clásico que actúa sobre la corriente de manera muy compleja.

En una reciente publicación en el journal Proceedings of the National Academy of Sciences, los autores han demostrado que este enfoque puede describir con precisión la dinámica de un electrón atrapado en una superficie y que interactúa fuertemente con los fotones. "La ventaja de esta reformulación del problema de acoplamiento electrón-fotón", señalaba Johannes Flick y Michael Ruggenthaler, autores principales del trabajo, “permite aproximaciones que tratan a fotones y partículas en pie de igualdad. De esta forma podemos llegar a nuevas técnicas de simulación que no descuidan los fotones sin dejar de ser lo suficientemente simples para ser prácticas."

Después de esta prueba de principio, en un siguiente paso, el equipo del profesor Rubio quiere utilizar la técnica desarrollada para investigar los sistemas complejos en situaciones donde se supone que los fotones desempeñan un papel importante y, por tanto, aprender cómo esto modifica las propiedades de los materiales. “Este estudio ofrece una nueva forma de controlar y alterar las reacciones químicas en los sistemas complejos, como los biomoleculares, y de diseño de nuevos estados de la materia", añadió el profesor Ángel Rubio, de UPV/EHU .

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-Fuente: Universidad del País Vasco .
-Publicación: 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 .

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