A partir de una red de nanoláseres donde interactúa la luz y el sonido, investigadores observaron un novedoso comportamiento de un material artificial “polaromecánico”. El hallazgo, en el que participan docentes del Balseiro, podría tener potenciales implicancias en el campo de las tecnologías cuánticas.  

Fecha de publicación: 19/06/2023

Científicos de Argentina y Alemania reportaron un novedoso comportamiento en un metamaterial de fluidos de luz y sonido creado a partir de una red de nanoláseres acoplados. Descubrieron que las nanoestructuras estudiadas se comportan en patrones “temporales” al fijar sus frecuencias de emisión de luz en una diferencia constante.

El trabajo recién reportado en la revista Nature Communications implica no sólo la comprensión de ese fenómeno sino también la manipulación de las señales de luz y sonido a escalas diminutas. El mismo podría tener un impacto en el campo de las tecnologías cuánticas y las comunicaciones, como por ejemplo en la transducción de señales de microondas a luz o viceversa que es algo que ya se utiliza para transmitir información con frecuencias más bajas para redes de telefonía celular.

El artículo fue realizado por docentes e investigadores del Instituto Balseiro y del Centro Atómico Bariloche, la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA), el Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET) y el Paul-Drude-Institut de Alemania. 

Los experimentos se basan en la arquitectura de una red de nanocavidades o “trampas” optomecánicas, que son estructuras fabricadas con semiconductores que funcionan como espejos diminutos. Así se genera, a partir del estímulo de un láser externo, una mezcla de luz y electrones en los también llamados “resonadores” u “osciladores” polaromecánicos. 

Ese combinado de fotones -la luz- y electrones es un fenómeno físico llamado “condensado de polaritones”, o también denominado “fluido de luz”. Este genera de manera espontánea fonones, es decir, vibraciones mecánicas de los espejos (sonido), que altera al sistema y por lo tanto a la luz dentro de ella (que generó espontáneamente al sonido), siendo un proceso donde se afectan mutuamente. En esa"danza" entre luz y sonido de la red de nanoláseres, los físicos hallaron un patrón.

¿Cómo midieron esas frecuencias y sus diferencias? Ellos analizaron la luz emitida como producto de la interacción en estos nuevos materiales entre fotones (luz), electrones y fonones (sonido). Las diferencias de frecuencias de los nanoláseres son de decenas de gigahercios. 

Para tener una dimensión: un hercio (Hz) corresponde a una repetición  por segundo de un fenómeno dado, mientras que un gigahercio es igual a mil millones de hercios. En las nuevas redes de comunicaciones con celulares 5G, se transmite información de unos pocos gigahercios a una veintena de gigahercios. 

“Es esa diferencia de frecuencia de la luz, del campo electromagnético, lo que se fija espontáneamente en diferencias que coinciden con cantidades enteras de la frecuencia del sonido, que es de la escala del ultrasonido en nuestros experimentos”, comentó Alejandro Fainstein, uno de los autores del artículo, egresado y docente del Instituto Balseiro, institución dependiente de la CNEA y la Universidad Nacional de Cuyo.

“Usualmente la luz y las vibraciones mecánicas interactúan, pero es algo débil. La luz puede generar movimiento, oscilaciones mecánicas, pero es algo secundario. Bueno, en nuestros sistemas ambos ‘campos’ interactúan fuertemente, lo cual lleva a comportamientos colectivos que, como tales, son todo lo contrario a algo ‘débil’: están intrínsecamente acoplados, las oscilaciones de uno generan oscilaciones del otro, ‘bailan’ en conjunto. Es decir, ambos fenómenos ‘resuenan’, se amplifican y modifican mutuamente, están acoplados”, describió Fainstein, que también es investigador del CONICET y de la CNEA de Argentina, y trabaja en el Laboratorio de Fotónica y Optomecánica del Centro Atómico Bariloche.

Así, el patrón encontrado -la repetición en varios experimentos que sorprendió al equipo- es un fenómeno llamado “lockeo de frecuencia”. Ocurre debido a que el fluido de luz y sonido se comunica entre cavidades, donde hay absorción y pérdida de energía, pero que resulta en un patrón de diferencias constantes entre las frecuencias  emitidas de la luz. Esas diferencias corresponden justamente a la frecuencia del sonido o múltiplos enteros de la misma.

“Los resonadores o nanotrampas se comunican, y la frecuencia se bloquea a una diferencia constante”, sintetizó Axel Bruchhaussen, también docente del Balseiro y jefe del citado Laboratorio. Además destacó que la frecuencia del sonido de la primera trampa excitada por un láser externo es de 20 GHz, y se demostró que la diferencia de frecuencia de luz entre trampas vecinas podía bloquearse en una frecuencia constante de números enteros de esa frecuencia, por ej. 20, 40 y 60 GHz.

Dimitri Chafatinos, primer autor del paper y estudiante del Doctorado en Física del Balseiro en el mismo laboratorio barilochense, comentó que todo el trabajo fue un desafío muy emocionante. “El inicio, ir a buscar algo y no saber qué es. El sistema en sí es muy rico físicamente, hay mucho por explorar, muchas preguntas por responder y mucho más aún por indagar”, dijo desde Berlín, donde ahora realiza una estadía de investigación en el Paul-Drude-Institut (ver Columna “La historia detrás…”).

En una nota realizada en 2010 publicada en la Agencia CyTA del Instituto Leloir, los investigadores invitaban a comparar las nanocavidades que ellos fabrican en el laboratorio con las cajas de un violín, una guitarra o un contrabajo. El tamaño de la caja de cada instrumento determina en qué frecuencias de resonancias pueden vibrar: unos son más agudos, otros más graves. 

“En la materia, el equivalente de frecuencia de resonancia está vinculado a las propiedades de los electrones. Según la física cuántica, los electrones son partículas y también ondas. En tamaños nanométricos, las frecuencias con las cuales pueden resonar los electrones se pueden cambiar. Eso hace que las propiedades electrónicas, que son las que definen el modo en que interactúa y se forma la materia, estén determinadas por las resonancias de los electrones. Al cambiar el tamaño, cambian la resonancia”, comentaban en la citada nota.

En este nuevo trabajo, casi 13 años después, y con varios logros en el recorrido, como por ejemplo la creación de un láser de sonido en 2020, el equipo ha logrado un mayor control de este tipo de cavidades optomecánicas.

Alejandro Giacomotti,  director de investigación del CNRS en el  LP2N (Laboratoire Photonique, Numérique et Nanosciences) del Instituto de Óptica, en Bordeaux, Francia, y que no participó de la investigación, comentó sobre el artículo: “Fundamentalmente, este trabajo arroja una luz nueva sobre los fenómenos complejos que ocurren en estas redes de ‘osciladores no lineales’. El leit motiv subyacente es la sincronización mediada por fonones; y la observación principal es que estos osciladores, en lugar de sincronizarse a la misma frecuencia (locking), lo hacen con una diferencia de frecuencia que corresponde a un número entero de la energía del fonón, que es de 20 GHz”.

“Así, se demuestra una funcionalidad única de estas redes de estado sólido: el control coherente ultra-rápido, abriendo una puerta interesante a la preparación de estados cuánticos vía las llamadas transiciones de Landau-Zener-Stuckelberg”, agregó Giacomotti desde Francia ante la consulta desde el Área de Comunicación y Prensa del Instituto Balseiro (leer más en la columna “Un estado coherente…”).

Por su parte, Ariel Levenson, presidente de la Société Française d’Optique, y que tampoco participó en esta investigación, explicó vía correo electrónico que los fotones, partículas elementales de luz, los electrones, portadores de electricidad, y los fonones, que transportan el sonido, son omnipresentes pero rara vez pueden colaborar. “Sus terrenos favoritos de acción difieren puesto que se desplazan a velocidades muy diferentes; los fotones son aproximadamente cien mil veces más rápidos que los fonones”, comentó.

“Lograr que interactúen de manera eficaz y crear excitaciones híbridas implicando los tres, ofrecería la posibilidad de una nueva ingeniería de interacción luz-materia con aplicación potencial al procesamiento avanzado de información, tanto en régimen clásico como cuántico”, destacó Leventon. “En este artículo, el equipo internacional liderado por Alex Fainstein demuestra un avance suplementario al coordinar la interacción fotón-electrón-fonón”, agregó Levenson vía correo electrónico desde Francia (leer más en la columna “Un control coherente ultrarrápido”).

El artículo está firmado, en el mismo orden, por: Dimitri Chafatinos, Alexander Kuznetsov, Andrés Reynoso, Gonzalo Usaj, Pablo Sesin, Ignacio Papuccio, Axel Bruchhausen, Klaus Biermann, Paulo Santos y Alejandro Fainstein.

¿Cuáles serán los próximos pasos? Según destacaron los investigadores, hay propuestas teóricas de que un sistema como el estudiado podría propagar luz entre los láseres “de manera no recíproca”. En palabras simples, esto permitiría que la luz viaje para la derecha, por ejemplo, pero no para la izquierda. También hay propuestas de usar estas redes complejas como “simuladores cuánticos”. Habrá que ver qué nuevas aplicaciones se generan a partir de este nuevo concepto de metamaterial de fluidos de luz y sonido.

Por Laura García Oviedo / Comunicación y Prensa del Instituto Balseiro

*Importante para medios de comunicación o canales de comunicación institucionales: Pueden reproducir esta nota en forma total o parcial, por favor, mencionando la fuente y la firma.

*Para leer más sobre este tema: Esta versión de nota fue publicada en el sitio web y redes sociales del Instituto Balseiro. Para leer la versión abreviada que fue enviada a medios, sin material adicional, pueden visitar este link.

Esta obra está bajo una Licencia Creative Commons Atribución 3.0 Unported.

Nota de pie: Varios de los investigadores de CONICET y CNEA son parte del Instituto de Nanociencia y Nanotecnología (INN, dependiente de CNEA y CONICET).

*Material adicional: 

COLUMNA 1

Un control coherente “ultrarrápido”

*Por Alejandro Giacomotti

"En los últimos años, las tecnologías cuánticas han suscitado un gran interés en la comunidad científica, en gran parte debido a las promesas de las soñadas “computadoras cuánticas”. Los protocolos para generar estados cuánticos y controlarlos se basan en la realización de “redes” que acoplan un cierto número de objetos cuánticos —por ejemplo, átomos. Así, es posible –al menos en teoría—generar estados entrelazados de muchos átomos, que pueden codificar mucha más información que los simples “bits” clásicos, es decir ceros y unos. 

Sin embargo, la realización de estas redes implica un desafío tecnológico mayor, porque no solamente se necesitan objetos cuánticos de alta pureza, que resistan a las perturbaciones del medio que los rodea (llamamos a esto coherencia), sino también poder controlar la interacción. Señalemos que, más allá de las aplicaciones, y desde un punto de vista general, la física de N objetos cuánticos en una red, sometidos a interacciones no solamente sitio a sitio, pero también con el medio que los rodea (disipación y decoherencia), es un problema abierto.

El trabajo intitulado “Asynchronous locking in metamaterials of fluids of light and sound”, del grupo de Alex Fainstein, publicado en la revista Nature Communications, es una contribución significativa a la comprensión de un sistema de tipo “red” de átomos artificiales, de ahí el término metamateriales. Los sitios en interacción de la red en este trabajo son llamadas “trampas” de luz y materia de origen cuántico, o polaritones, que tienen la ventaja de constituir un sistema de estado sólido, basado en semiconductores fabricados a escala micrométrica. Estas trampas, cuando se construyen con materiales con propiedades físicas específicas –es el caso de pozos cuánticos basados en Arseniuro de Galio– tienen un comportamiento sorprendente: se puede confinar eficazmente, y simultáneamente, los polaritones y los quanta de vibración mecánica (fonones). 

¿Pero por qué es interesante el agregado de fonones en esta historia? Porque son vibraciones colectivas del cristal que permiten el control coherente de estados de la red.

Fundamentalmente, este trabajo arroja una luz nueva sobre los fenómenos complejos que ocurren en estas redes de “osciladores no lineales”. El leit motiv subyacente es la sincronización mediada por fonones; y la observación principal es que estos osciladores, en lugar de sincronizarse a la misma frecuencia (locking), lo hacen con una diferencia de frecuencia que corresponde a un número entero de la energía del fonón, que es de 20 GHz. Así, se demuestra una funcionalidad única de estas redes de estado sólido: el control coherente ultra-rápido, abriendo una puerta interesante a la preparación de estados cuánticos vía las llamadas transiciones de Landau-Zener-Stuckelberg."

* Dr. en Física (UBA) y director de investigación del CNRS en el LP2N (Laboratoire Photonique, Numérique et Nanosciences) del Instituto de Óptica, Bordeaux, Francia. No participó en la investigación.

COLUMNA 2

Un estado coherente de fotones, electrones y fonones

*Por Ariel Levenson

"Los fotones, partículas elementales de luz, los electrones, portadores de electricidad, y los fonones, que transportan el sonido, son omnipresentes pero rara vez pueden colaborar. Sus terrenos favoritos de acción difieren puesto que se desplazan a velocidades muy diferentes (los fotones son aproximadamente 100000 veces más rápidos que los fonones). Lograr que interactúen de manera eficaz y crear excitaciones híbridas implicando los tres, ofrecería la posibilidad de una nueva ingeniería de interacción luz-materia con aplicación potencial al procesamiento avanzado de información, tanto en régimen clásico como cuántico. 

Durante los últimos veinte años la optimización de excitaciones híbridas fotón-electrón, llamadas polaritones, ha avanzado considerablemente gracias a las micro y nanotecnologías. También se han logrado avances sustanciales en la hibridación fotón-fonón. 

En este artículo, el equipo internacional liderado por Alex Fainstein demuestra un avance suplementario al coordinar la interacción fotón-electrón-fonón. El enfoque utilizado aprovecha el confinamiento de las excitaciones en microcavidades en semiconductor, material habitual de ciertos dispositivos opto-electrónicos para las telecomunicaciones. La hibridación entre las tres entidades se manifiesta como una respuesta sincronizada de una red de microcavidades que demuestra la existencia de un estado coherente constituido de fotones, electrones y fonones."

*Director de investigación CNRS, Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies, CNRS - Université Paris-Saclay;* Presidente de la Société Française d’Optique. No participó en la investigación.

COLUMNA 3 

La historia detrás del paper: experimentos con resonadores polaromecánicos

 Por Dimitri Chafatinos*

“Mi contribución a la investigación es experimental. El artículo describe un fenómeno físico qué empezamos a esudiar en el comienzo, cuando llegué en la Maestría en Ciencias Físicas, en el Instituto Balseiro, en 2019. Durante ese año, realicé las primeras tandas de mediciones qué dieron lugar al primer paper, un fenómeno claro qué no podíamos dejar pasar: el hecho de que estas redes de nanoláseres generan sonido estimulado, como un láser pero de sonido. Al comienzo del 2020 tuve dos semanas buenas de medición antes qué se cierre todo por la cuarentena. Con esa nueva tanda de mediciones y la del año anterior, sumado a que íbamos a pasar muchas horas en casa, sentado frente a la compu, revolviendo entre datos viejos y nuevos, buscando algo sin saber bien qué buscar, pero estar seguros de qué el sistema estaba respondiendo “raro”, dieron lugar a nuevas preguntas más cercanas al fenómeno presente. 

En los primeros meses de la pandemia iniciamos reuniones semanales de grupo con la gente del Paul-Drude-Institut y nuestro laboratorio para discutir del sistema, iniciando con los datos medidos en Bariloche, los datos qué dieron lugar a este artículo. En estos cuatro años pudimos descubrir el fenómeno físico de “lockeo asincrónico entre resonadores polaromecánicos”, describir un modelo adecuado y llegar a manipularlo.

En lo experimental es un sistema complicado, hay muchos grados de libertad para jugar en la mesa, y a veces no alcanzan las horas (o los recursos). En lo teórico también, es un sistema abierto fuertemente no lineal con muchos parámetros para explorar. Los autores teóricos del trabajo (Andrés Reynoso y Gonzalo Usaj, también del Instituto Balseiro y del Centro atómico Bariloche) e Ignacio Carraro (hace un año incorporado al grupo, primero como estudiante de maestría y hoy como alumno doctoral), estos tres últimos años han avanzado muchísimo en la búsqueda del mejor modelo. En lo personal me permitió entender no solo con los dedos lo que está pasando, sino generar una intuición de lo qué podría pasar al momento de bajar a la mesa experimental a medir. Entender qué términos están en juego y cómo afectan al sistema es fundamental para luego poder diseñar y decidir qué nuevos experimentos hacer. 

Fue emocionante el proceso que viví. El inicio, ir a buscar algo y no saber qué es. El sistema en sí es muy rico físicamente, hay mucho por explorar, muchas preguntas por responder y mucho más aún por indagar. Además, a la emoción sumó el gran interés por ambos grupos, las reuniones y discusiones extensas semanales (a veces más de 100 diapositivas), las varias propuestas e ideas de experimentos y teoría, los días de análisis  en casa sin poder ir a chequear las 1001 preguntas qué aparecieron en la época de la pandemia, los días en el laboratorio con Sebas y Pablo, y hoy con Los Nachos, el insomnio y buen ojo de Alex”.

*Egresado de la Licenciatura en Física, Magíster en Ciencias Físicas y Doctorando de Física del Instituto Balseiro (CNEA-UNCUYO). Es primer autor del paper.

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Por Laura García Oviedo

Área de Comunicación Institucional y Prensa (ACIyP- IB)

Crédito foto: Marion Prieto

Instituto Balseiro, San Carlos de Bariloche, 16/06/2023

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