Polaritón

En física, los polaritones son cuasipartículas resultantes del fuerte acoplamiento de ondas electromagnéticas con una excitación eléctrica o magnética portadora de un dipolo. Son una expresión del fenómeno cuántico común conocido como repulsión de nivel, también conocido como principio de cruce evitado. Los polaritones describen el cruce de la dispersión de la luz con cualquier resonancia interactuante. En este sentido, los polaritones también pueden considerarse como los nuevos modos normales de un material o estructura dada que surgen del fuerte acoplamiento de los modos desnudos, que son el fotón y la oscilación dipolar. El polaritón es una cuasipartícula bosónica y no debe confundirse con el polarón (una cuasipartícula fermiónica), que es un electrón más una nube de fonones adjunta.

Siempre que la imagen del polaritón sea válida (es decir, cuando el límite de acoplamiento débil sea una aproximación no válida), el modelo de fotones que se propagan libremente en los cristales es insuficiente. Una característica importante de los polaritones es una fuerte dependencia de la velocidad de propagación de la luz a través del cristal de la frecuencia del fotón. Para los excitones-polaritones, se ha obtenido una gran cantidad de resultados experimentales sobre varios aspectos en el caso del óxido de cobre (I).

Historia

Lewi Tonks e Irving Langmuir observaron las oscilaciones en los gases ionizados en 1929. Kirill Borisovich Tolpygo consideró por primera vez teóricamente las polaritones. Fueron denominados excitones de luz en la literatura científica soviética. Ese nombre fue sugerido por Solomon Isaakovich Pekar, pero se adoptó el término polariton propuesto por John Hopfield. Los estados acoplados de ondas electromagnéticas y fonones en cristales iónicos y su relación de dispersión, ahora conocidos como polaritones de fonones, fueron obtenidos por Tolpygo en 1950 e, independientemente, por Huang Kun en 1951. Las interacciones colectivas fueron publicadas por David Pines y David Bohm en 1952. y los plasmones fueron descritos en plata por Herbert Fröhlich y H. Pelzer en 1955. R.H Ritchie predijo los plasmones de superficie en 1957, luego Ritchie y H.B. Eldridge publicó experimentos y predicciones de fotones emitidos por láminas metálicas irradiadas en 1962. Otto publicó por primera vez sobre plasmones-polaritones de superficie en 1968. La superfluidez a temperatura ambiente de los polaritones fue observada en 2016 por Giovanni Lerario et al., en el Instituto de Nanotecnología CNR NANOTEC, utilizando una microcavidad orgánica que soporta polaritones de excitón de Frenkel estables a temperatura ambiente. En febrero de 2018, los científicos informaron del descubrimiento de una nueva forma de luz de tres fotones, que puede involucrar polaritones, que podría ser útil en el desarrollo de computadoras cuánticas.

Tipos

Un polaritón es el resultado de la combinación de un fotón con una excitación polar en un material. Los siguientes son tipos de polaritones:

• Los polaritos de Phonon resultan del acoplamiento de un fotono infrarrojo con un fono óptico;
• Los polaritos exciton resultan del acoplamiento de luz visible con un exciton;
• Los polaritos entre bandas resultan de un acoplamiento de un fotono infrarrojo o terahertz con una excitación entre bandas;
• Los polaritos de plasmón superficiales resultan del acoplamiento de plasmones superficiales con luz (la longitud de onda depende de la sustancia y su geometría);
• Los polaritos Bragg ("Braggoritons") resultan del acoplamiento de los modos de fotones Bragg con excitones a granel;
• Los plexcitons resultan de plasmones de acoplamiento con excitones;
• Los polaritos magnéticos resultan de acoplamiento de magnón con luz;
• pi-tons resultan de acoplamiento de carga alternada o fluctuaciones de la columna con luz, diferente de magnon o polaritos exciton;
• polaritos de la cavidad.