Quando la luce interagisce con la materia, Per esempio, quando un raggio laser colpisce un materiale bidimensionale come il grafene, può modificare sostanzialmente il comportamento del materiale. A seconda della forma di interazione tra luce e materia, alcune reazioni chimiche appaiono in modo diverso, le sostanze diventano magnetiche o ferroelettriche o iniziano a condurre elettricità senza perdite. In casi particolarmente emozionanti, una vera fonte di luce potrebbe anche non essere necessaria perché la mera possibilità che la luce esista, cioè., il suo equivalente quantistico, i fotoni, può cambiare il comportamento della materia. Gli scienziati teorici cercano di descrivere e prevedere questi affascinanti fenomeni perché potrebbero essere cruciali nello sviluppo di nuove tecnologie quantistiche.

Però, calcolare le interazioni quantistiche luce-materia non solo consuma enormi quantità di tempo e potenza di calcolo, ma diventa anche molto ingombrante. Descrivere la forte interazione tra un materiale realistico con i fotoni consuma facilmente migliaia di euro. Ora gli scienziati del dipartimento di teoria dell'Istituto Max Planck per la struttura e la dinamica della materia (MPSD) di Amburgo hanno trovato un modo per semplificare alcuni di questi calcoli. Il loro lavoro, ora pubblicato in PNAS , fornisce un passo significativo verso l'integrazione della natura quantistica della luce nei dispositivi moderni.

"Immagina che ti venga data una serie di mattoni da costruzione per costruire un modello della famosa Porta di Berlino, "dice Christian Schäfer, autore principale dello studio. "Intuitivamente, iniziamo a posizionare le pietre una sopra l'altra per assomigliare alla forma del cancello, ma con ogni pietra, la costruzione diventa più instabile e costosa. Allo stesso modo, perché a volte dobbiamo considerare molte centinaia di fotoni, i nostri calcoli possono diventare estremamente complessi e il costo delle nostre previsioni teoriche aumenta molto rapidamente. Infatti, questo costo è così proibitivo che prevedere l'intera interazione tra molti fotoni e molecole realistiche è di fatto impossibile da calcolare, anche sui supercomputer più veloci e più grandi esistenti."

Ora, il team MPSD, con sede presso il Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) ad Amburgo, ha trovato un modo semplice ma geniale per aggirare questo problema. Rimodellando l'equazione in modo che la parte materiale stessa tenga conto dell'incertezza quantomeccanica della luce, sono necessari molti meno fotoni aggiuntivi per descrivere il sistema combinato di luce quantistica e materia.

"In effetti, abbiamo costruito la Porta di Berlino scolpendola dalla prima pietra per arrivare all'incirca allo stesso risultato, " spiega Schäfer. "Questo ci permette di descrivere l'interazione quantistica tra luce e materia con un costo aggiuntivo molto ridotto rispetto alla sola considerazione del materiale".

Per fare un esempio, quando l'interazione tra luce e materia diventa così forte che entrambi i sistemi diventano veramente intrecciati, ogni possibile configurazione del campo luminoso può richiedere la considerazione di centinaia di fotoni. Il nuovo approccio può catturare la maggior parte delle caratteristiche di questo limite estremo senza la necessità di considerare alcun fotone. L'aggiunta di pochi fotoni è quindi sufficiente per fornire il quadro completo.

Il metodo consente un notevole risparmio di tempo di calcolo e fornisce agli scienziati una struttura per prevedere l'interazione tra luce quantistica e materia per sistemi realistici in situazioni che era proibitivo simulare. "Il nostro approccio può fungere da solida base per sviluppi futuri, fornendo un percorso per integrare più fortemente la luce quantistica nella chimica, design dei materiali e tecnologia quantistica, " dice Schäfer. "All'interno del formalismo generale molti nuovi effetti potrebbero ancora attendere la scoperta, " aggiunge Angel Rubio, direttore di MPSD Theory. "L'ingegneria dei materiali e dei complessi molecolari attraverso la luce sta diventando una realtà. Stiamo intraprendendo un lungo ed entusiasmante viaggio per esplorare tutte le sue potenziali implicazioni nelle nuove tecnologie quantistiche e il lavoro del team fornisce un passo importante lungo questo percorso".