Una nueva investigación sugiere que es posible crear una nueva forma de luz uniendo fotones a electrones individuales, y combinando las propiedades de ambas clases de partículas elementales.

Ilustración de luz atrapada en la superficie de una nanopartícula de aislante topológico. (Imagen: Vincenzo Giannini)

Según los autores de este estudio, del Imperial College de Londres, en el Reino Unido, los fotones y electrones acoplados tendrían propiedades que podrían llevar al desarrollo de circuitos que funcionen con paquetes de luz (fotones) en vez de con electrones.

El acoplamiento también permitiría a los investigadores estudiar fenómenos físicos cuánticos, que gobiernan las partículas más pequeñas que los átomos, en una escala visible.

En los materiales normales, la luz interactúa con toda una serie de electrones presentes en la superficie y dentro de ellos. Pero usando física teórica para modelar el comportamiento de la luz y una clase recientemente descubierta de materiales conocidos como aislantes topológicos, el equipo de Vincenzo Giannini ha encontrado que se podría interactuar con solo un electrón en la superficie, y que el fenómeno estudiado es capaz de permitir que un solo electrón afecte a la conducta de varios cientos de miles de átomos. Ello se traduce en plasmones de superficie, generados por un único electrón, sobre una nanopartícula topológica. Los plasmones son, explicado de modo simple, ondas de electrones que se mueven por la superficie de un metal de modo similar al agua cuando es perturbada en un estanque por la caída de una piedra. En el caso de los plasmones, la perturbación puede ser causada por una fuente electromagnética exterior, como por ejemplo luz.

El fenómeno estudiado en la nueva investigación crearía un acoplamiento que mezclaría algunas de las propiedades de la luz con algunas del electrón. Normalmente, la luz viaja en línea recta, pero estando unida al electrón seguiría en cambio el camino de este, recorriendo la superficie del material.

En el estudio, Giannini y sus colegas modelaron esta interacción alrededor de una nanopartícula, una pequeña esfera de menos de 0,00000001 metros de diámetro, hecha de un aislante topológico.

Sus modelos mostraron que, además de tener a la luz adoptando la citada propiedad del electrón y circulando por la partícula, este tomaría asimismo algunas de las propiedades de la luz.

Normalmente, cuando los electrones viajan recorriendo materiales, como circuitos eléctricos, se detienen si encuentran un defecto. Sin embargo, el equipo de Giannini descubrió que incluso si hubiera imperfecciones en la superficie de la nanopartícula, el electrón aún podría viajar hacia delante con la ayuda de la luz.

Si esto pudiera ser adaptado a los circuitos fotónicos, serían más robustos y menos vulnerables a las alteraciones y las imperfecciones físicas.

El estudio ha sido publicado en la revista Nature.

Giannini está convencido de que los resultados de este trabajo tendrán una enorme repercusión en la forma en que concebimos la luz. Los aislantes topológicos fueron descubiertos hace pocos años, pero ya están proporcionándonos nuevos fenómenos para estudiar y nuevas formas de explorar conceptos importantes en la física, tal como destaca Giannini.