Detectan por primera vez la partícula fundamental en la interacción luz-materia en los metales

Investigadores de la Universidad de Pittsburgh, en Estados Unidos, son los primeros en detectar una partícula fundamental de la interacción luz-materia en los metales, el excitón. La humanidad ha utilizado la reflexión de la luz desde un espejo de metal sobre una base diaria durante milenios, pero la magia de la mecánica cuántica detrás de este fenómeno familiar se está descubriendo ahora. Los físicos describen fenómenos físicos en términos de interacciones entre los campos y las partículas, explica el autor principal Hrvoje Petek, profesor en el Departamento de Física y Astronomía en la Escuela de Artes y Ciencias de Pitt. Cuando la luz (un campo electromagnético) se refleja en un espejo de metal, sacude los electrones libres del metal (las partículas) y la consiguiente aceleración de los electrones crea una réplica casi perfecta de la luz incidente (la reflexión).

La teoría clásica del electromagnetismo proporciona una buena comprensión de las entradas y salidas de este proceso, pero una microscópica descripción mecánica cuántica de la forma en que la luz excita los electrones es insuficiente. El equipo de Petek formado por físicos y químicos experimentales y teóricos de la Universidad de Pittsburgh y el Instituto de Física en Zagreb, Croacia, informa en la revista 'Nature Physics' sobre cómo la luz y la materia interactúan en la superficie de un cristal de plata. Estos científicos observaron por primera vez un excitón en un metal.

Se sabe que los excitones, partículas de interacción luz-materia, donde los fotones de luz pasan transitoriamente a enredarse con los electrones en las moléculas y los semiconductores, son de fundamental importancia en procesos como a fotosíntesis de las plantas y las comunicaciones ópticas, que son la base de Internet y la televisión por cable. Las propiedades ópticas y electrónicas de los metales provocan que los excitones duren no más de aproximadamente 100 attosegundos. Esos tiempos de vida cortos hacen que sea difícil para los científicos estudiar los excitones en los metales y también permiten a la luz reflejada ser una réplica casi perfecta de la luz entrante.

Sin embargo, Branko Gumhalter, del Instituto de Física, predijo y Petek y su equipo descubrieron experimentalmente que los electrones de la superficie de cristales de plata pueden mantener el estado excitónico más de 100 veces más que el metal en masa, permitiendo que los excitones en metales sean capturados experimentalmente por una técnica espectroscópica coherente multidimensional de nuevo desarrollo. La capacidad de detectar excitones en metales aporta más información sobre cómo la luz se convierte en energía eléctrica y química en las plantas y las células solares y en el futuro podría permitir a los metales funcionar como elementos activos en las comunicaciones ópticas. En otras palabras, puede ser posible controlar cómo la luz se refleja a partir de un metal.