Gonzalo Usaj, Ignacio Carraro-Haddad y Alejandro Fainstein, autores argentinos del citado trabajo | foto:  Marion Prieto.

Físicos de Alemania y Argentina desarrollaron una novedosa estrategia para controlar la condensación de paquetes de luz y materia utilizando microresonadores de 7 Gigahertz, que oscilan 7 mil millones de veces por segundo. El logro, publicado en la prestigiosa revista científica Nature Photonics, abre la puerta para investigar tecnología de materiales con nuevas propiedades.

Por Laura García Oviedo (*)

Un equipo de físicos de Argentina y Alemania demostró que, mediante la emisión de ondas acústicas y con la ayuda de un láser, pueden manipular de forma controlada dentro de nanocavidades a un tipo de bosones, llamados polaritones, y llevarlos, o no, a su nivel más bajo de energía. Los resultados de sus experimentos abren las puertas para nuevos conocimientos a nivel tecnológico.

En el artículo científico o paper, publicado en la prestigiosa revista Nature Photonics el miércoles 11 de marzo, los investigadores de Alemania y Argentina presentaron una nueva estrategia para controlar en microcavidades la transferencia de “población selectiva”, es decir bajo demanda, entre estados internos de estos sistemas cuánticos.

Los físicos, que trabajan en el Paul-Drude-Institute, de Alemania, y en el Instituto Balseiro, dependiente de la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA) y la Universidad Nacional de Cuyo (UNCUYO), el Centro Atómico Bariloche y el Instituto de Nanociencia y Nanotecnología (INN; CONICET-CNEA), de Argentina, explicaron que esa estrategia se basa en una modulación periódica de la energía a través del uso de una onda acústica.

“Además de confinar luz y sonido, en nuestros experimentos ‘sacudimos’ estas cavidades usando materiales piezoeléctricos, que son materiales que con presión crean electricidad y viceversa, y que permiten generar vibraciones extremadamente rápidas. Es como tocar un tambor microscópico a un dado ritmo, para así inyectar fonones dentro de la cavidad”, explicó Ignacio Carraro-Haddad, doctorando de Física del Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET) en el Instituto Balseiro e INN.

“En este trabajo demostramos que, dependiendo de qué tan fuerte sean los ‘golpes al tambor’, la luz se distribuye selectivamente en distintos niveles de energía. Y ocurre algo curioso, cuanto mayor es la amplitud de la vibración, más tienden los fotones a ocupar estados de menor energía, hasta concentrarse únicamente en el estado fundamental, el nivel más bajo posible”, agregó el físico, que es uno de los autores del paper. Y agregó: “En otras palabras, mostramos que podemos elegir en qué energías se concentra la luz simplemente agitando estas diminutas cajas de luz y sonido”.
Onda acústica y fotones

Un hertz es la unidad que se utiliza para medir algo que se repite una vez por segundo. Para conseguir estos resultados, los investigadores utilizaron un generador de radiofrecuencia que operó a 7 GHz, o sea, una frecuencia de 7 mil millones de oscilaciones por segundo. Lo hicieron aplicando un voltaje alterno a un transductor piezoeléctrico, que es un dispositivo que convierte la señal eléctrica en una vibración mecánica a la misma frecuencia.

Así, en este trabajo los físicos demostraron que pueden controlar una estrategia en la que una onda acústica funciona como una perilla de control dinámico que redistribuye la población entre los distintos estados del sistema cuántico en estudio. Al tener un piezoeléctrico, se puede modular las energías de los electrones y alterar el comportamiento de todo el sistema. “Por ejemplo, se logra que la emisión de fotones desde un dado nivel de energía oscile en el tiempo con un período determinado por la modulación externa”, explicó el físico.

Gonzalo Usaj, investigador del CONICET y docente del Instituto Balseiro y otro de los autores de este trabajo, comentó que desde Bariloche el aporte principal fue el modelado teórico y la interpretación de los resultados. Se realizó desde el Laboratorio de Fotónica y Optomecánica y el Grupo de Teoría de Sólidos Cuánticos y Sistemas Desordenados del Centro Atómico Bariloche, de la CNEA. “Junto con Ignacio y Alex Fainstein desarrollamos el modelo que describe cómo se llenan dinámicamente los distintos niveles de la cavidad cuando la energía de los electrones es modulada periódicamente por una onda acústica”, dijo Usaj.

Las mediciones reportadas en el trabajo fueron realizadas en el Paul-Drude-Institut, en Berlín, donde Carraro-Haddad tuvo la oportunidad de participar en los experimentos durante una estadía de un mes. Los experimentos consisten en apuntar un láser hacia la microcavidad para excitar los electrones del material, mientras simultáneamente se aplica la onda acústica generada por un equipo de radiofrecuencia.

Mediante el desarrollo del modelo teórico, detallado en el artículo de Nature Photonics, se pudo comprender cómo las poblaciones de fotones ocupan los estados de energía discreta dentro de la cavidad. “Al aumentar la modulación acústica, las condiciones para llenar de fotones cada uno de estos estados cambian y favorecen a algunos en particular. Eventualmente, para amplitudes grandes, solo se ve favorecido el estado de menor energía”, comentó Usaj.

Este enfoque, aseguran los científicos, ofrece una nueva vía para seguir desarrollando a nivel mundial la ingeniería de Floquet de sistemas de luz-materia, que es un tipo de abordaje a niveles microscópicos que permite “sacudir” un sistema de forma periódica y muy rápida. Esto es, permite la emisión pulsada ultrarrápida, ajustable, de longitud de onda única o múltiple, y que puede alterar las propiedades físicas de un material, como por ejemplo su propiedad de aislante o conductor de electricidad.

Miradas desde Italia y Estados Unidos

José Lorenzana, investigador del ISC- Consiglio Nazionale delle Ricerche de Italia y egresado del Instituto Balseiro, opinó, vía correo electrónico: “Este hito posiciona a la Argentina en la vanguardia de las tecnologías cuánticas, herramientas que serán fundamentales para resolver problemas locales en áreas como comunicaciones, sensores, metrología y computación de alta eficiencia”. Y agregó: “Hasta ahora se había conseguido realizar estos condensados solo en una mezcla de estados que es como querer pintar un cuadro con todos los colores mezclados. En el trabajo se muestra un método muy novedoso para elegir el ‘color’, es decir, el estado del condensado y poderlo pasar de un estado a otro. Es como pasar de una tecnología en blanco y negro al color”.

Por su parte, Daniel Lopez, Profesor de Ingeniería Eléctrica y director del Laboratorio de Nanofabricación en Penn State University, en los Estados Unidos, y también egresado del Balseiro, comentó: “Por primera vez, científicos han logrado manipular estados cuánticos de la materia mediante vibraciones sonoras de altísima frecuencia (…) Esta tecnología podría transformar el diseño de los chips cuánticos del futuro, hacer realidad láseres pulsados ultrarrápidos integrados en microchips y permitir dispositivos capaces de traducir señales entre el mundo de las microondas y el de la óptica, indispensables para las comunicaciones y la computación cuántica”, opinó el físico desde los Estados Unidos.

Algo más que interesante es que el fenómeno de esa emisión veloz es similar a la de un láser que se utiliza en tecnologías de la información. ¿Cuáles son los próximos pasos de esta investigación? “Hay varias direcciones que estamos actualmente investigando, como por ejemplo utilizar otras formas de control, un láser resonante adicional, por ejemplo, para controlar no sólo la población sino también la dinámica de los polaritones”, dijo Carraro-Haddad.

Y agregó que conocer de modo cada vez más preciso cómo funcionan estos sistemas, comprender sus propiedades e identificar los mecanismos más relevantes puede abrir las puertas para el desarrollo de tecnologías que se basan en nuevas propiedades de materiales.

Link al paper acá: https://www.nature.com/articles/s41566-026-01855-w 

(*) Área de Comunicación Institucional y Prensa del Instituto Balseiro