Electrodinámica cuántica en nanomateriales de carbono

La nanotecnología se basa en el aprovechamiento de materiales y dispositivos con dimensiones muy, pero que muy pequeñas: a escala de átomos y moléculas. A esas dimensiones, muchos materiales exhiben propiedades particulares extraordinarias e incluso exóticas en comparación con las de los mismos materiales en forma volumétrica. Los comportamientos de los nanomateriales se describen por medio de la mecánica cuántica, que es muy diferente de la mecánica clásica.

El proyecto financiado con fondos europeos QOCAN (Quantum optics of carbon nanostructures) ha reunido cuatro grupos de científicos con el objetivo común de elaborar una base teórica para el uso de nanoestructuras de carbono como elementos de novedosos nanodispositivos optoelectrónicos. Los nanomateriales basados en carbono, como los nanotubos de carbono (NTC) y el grafeno, tienen propiedades eléctricas, ópticas y magnéticas intrigantes que han generado un enorme interés. Los científicos están estudiando las interacciones de las nanoestructuras de carbono con la luz cuántica a fin de desarrollar teorías de electrodinámica cuántica (EDC) y sus efectos en esos materiales.

La EDC es una teoría cuántica de la fuerza electrodinámica, de las interacciones de las partículas cargadas con un campo electromagnético. Describe matemáticamente no solo todas las interacciones de la luz con la materia sino también las de las partículas cargadas entre sí. Es una de las teorías físicas de mayor éxito propuestas hasta la fecha.

En el primer periodo del proyecto, el equipo ha hecho avances excelentes en todos los frentes. Los investigadores han estado desarrollando una teoría de la EDC del grafeno y de sus estados electrónicos cuando se someten a un campo electromagnético cuantizado. Además, han desarrollado la teoría de las propiedades electrónicas de los NTC en presencia de luz cuántica así como distintas teorías propuestas en relación con la EDC de cavidades de los NTC. La EDC de cavidades describe los comportamientos de átomos y fotones contenidos en una cavidad muy pequeña, un modelo experimental útil que proporciona una visión de comportamientos cuánticos muy diferentes a los que tienen lugar en el espacio libre.

Por último, el equipo ha formulado ya teorías de las propiedades en el rango de los terahercios de los NTC y del grafeno. El rango de los terahercios es objeto de intensos esfuerzos de investigación y desarrollo conducentes a nuevos dispositivos en los campos de técnicas de obtención de imágenes, medicina, biología y exploración espacial, por nombrar solo unos pocos.

La convergencia de la comunidad de la materia condensada y su experiencia en nanoestructuras con la comunidad de la óptica cuántica habituada a trabajar con sistemas atómicos y moleculares debería abrir nuevos mercados para ambos campos.