Luz acoplada a la materia en nanotubos de carbono y grafeno
Gracias a su conocimiento fundamental de los átomos, las moléculas y la óptica, los científicos contemporáneos pueden abordar retos que tan sólo hace unas pocas décadas estaban completamente fuera de su alcance, como es el caso del control preciso de átomos, moléculas y electrones mediante luz. Esta habilidad para controlar los sistemas cuánticos ha allanado el camino para la aparición de aplicaciones revolucionarias. El proyecto financiado con fondos europeos QOCAN (Quantum optics of carbon nanostructures) reunió a cuatro grupos de científicos de Brasil, Islandia, Rusia y Reino Unido con el objetivo común de elaborar una base teórica para el uso de nanoestructuras de carbono como elementos de nanodispositivos optoelectrónicos. Las colaboraciones entre científicos expertos en dos ámbitos del saber distintos son uno de los pilares del proyecto. La unión de la luz cuántica y la materia condensada «Existe una nueva tendencia por la que expertos en materia condensada, dedicados a las nanoestructuras, colaboran con expertos en óptica cuántica, dedicados tradicionalmente a los sistema atómicos y moleculares», observó el profesor Misha Portnoi, de la Universidad de Exeter (Reino Unido) y coordinador de QOCAN. «En este sentido, el equipo de QOCAN logró abordar grandes retos en nanociencia y nanotecnología. Ha ofrecido a la comunidad científica un lenguaje científico nuevo con el que describir los fenómenos ópticos cuánticos en nanoestructuras de carbono», añadió. Teorías de la electrodinámica cuántica Los científicos de QOCAN estudiaron las interacciones de las nanoestructuras basadas en carbono y la luz cuántica para crear nuevas teorías de electrodinámica cuántica (QED). Su investigación se dedicó a los nanotubos de carbono y el grafeno, dadas sus propiedades eléctricas, magnéticas y ópticas. La electrodinámica cuántica ofreció el marco teórico que describe la interacción de la luz y la materia y de las partículas con carga entre sí. «Se formuló una teoría del grafeno sometido a un campo electromagnético cuantizado y a la modificación inducida por campos de su espectro de electrones», explicó el Dr. Portnoi. Se trata de un avance de gran relevancia al ser un método teórico aplicable tanto al grafeno como a los semiconductores. De este modo es posible unificar las descripciones cuántica y clásica de la interacción entre luz y materia. Además, los científicos de QOCAN desarrollaron la teoría que rige las propiedades electrónicas de los nanotubos de carbono en presencia de luz cuántica y propusieron teorías nuevas sobre la electrodinámica de los dispositivos basados en nanotubos de carbono. También incrustaron teóricamente nanotubos de carbono en una microcavidad y estudiaron las modificaciones de sus estados electrónicos producto de las fluctuaciones de los campos electromagnéticos. En el rango de frecuencia de los terahercios El Dr. Portnoi dijo a modo de conclusión que QOCAN ha dado lugar a «varias propuestas para el aprovechamiento de las propiedades electrónicas de las nanoestructuras basadas en el carbono. Aparte de la formulación de una teoría sobre la respuesta de los nanotubos de carbono a la luz cuántica generada por láser en el rango de frecuencias de los terahercios, realizamos descripciones teóricas nuevas de detectores de terahercios». Este tipo de detectores basados en nanotubos de carbono podrían mejorar en gran medida las técnicas de imagen médica, la inspección de los viajeros en aeropuertos y la tecnología de control de alimentos. El rango de frecuencias en los terahercios —situado entre los rangos más convencionales utilizados en electrónica y óptica— resulta muy prometedor y ofrece retos interesantes para la comunidad científica. La energía fotónica en el rango de los terahercios es más pequeña que la de la luz visible, y no existen muchos materiales que absorban la luz con eficacia y la conviertan en una señal electrónica. Los hallazgos de QOCAN apuntan a que los nanotubos de carbono podrían servir para cubrir esta laguna técnica. El éxito de esta iniciativa científica puramente teórica se manifiesta en los treinta y nueve artículos publicados en revistas revisadas por pares como Physical Review A &B, así como en actas de congresos internacionales.
Palabras clave
Nanotubos de carbono, QOCAN, optoelectrónica, nanociencia, grafeno
