Del mismo modo que la unión de dos o más átomos forma una molécula, por analogía se llama molécula fotónica a la unión de dos o más fotones. Es decir, no se trata de moléculas como las que estamos acostumbrados a concebir en química (HCl, O2…), por lo que no experimentan entre sí “reacciones químicas”.
Se pueden crear moléculas fotónicas haciendo pasar un láser por ciertos materiales especiales o una guía de ondas o un microrresonador. Cuando los fotones interactúan entre sí dentro del material o la estructura pueden “enredarse” y formar “enlaces” análogos a los que unen a los átomos en las moléculas. Normalmente, la molécula fotónica resultante tiene propiedades diferentes a las de los fotones componentes, como una nueva frecuencia o polarización. Una diferencia fundamental es la de la “masa”.
Como es sabido, los fotones son partículas sin masa según el modelo estándar de la física de partículas. Por lo tanto, no se puede considerar que una molécula fotónica en sí misma tenga masa. Sin embargo, la interacción entre los fotones en una molécula fotónica puede dar lugar a una masa efectiva que se puede observar en ciertos sistemas. Esto se conoce como efecto de masa fotónica y surge debido al fuerte acoplamiento entre fotones en la molécula fotónica. En los sistemas donde se observa el efecto de masa fotónica la masa efectiva de la molécula fotónica se puede considerar como una medida de la fuerza de las interacciones fotón-fotón dentro del sistema. Sin embargo, es importante notar que esta masa efectiva no es una verdadera masa en el sentido de tener una masa en reposo o contribuir a la masa-energía total del sistema.
Demostración experimental
Inicialmente las moléculas fotónicas fueron un concepto teórico, una predicción hecha por la física. Pero en 2013 se pudo demostrar su existencia real en varios sistemas. Ese año, investigadores del Instituto de Tecnología de Massachusetts lograron crear un dímero de fotones mediante un dispositivo de guía de ondas. Desde entonces se han creado moléculas fotónicas utilizando varios métodos y sistemas, como microrresonadores, cavidades de cristal fotónico y circuitos superconductores.
Se ha demostrado que estas moléculas fotónicas muestran propiedades muy interesantes y variadas. El estudio de las moléculas fotónicas es un campo en rápido desarrollo y hay investigaciones en curso destinadas a explorar su física fundamental y sus posibles aplicaciones.
Aplicaciones
Las moléculas fotónicas tienen aplicaciones potenciales en campos como el procesamiento de información cuántica, las comunicaciones ópticas o la detección.
En computación y comunicación cuánticas podría aprovecharse el hecho de que los pares de fotones entrelazados puedan crear estados cuánticos útiles para el procesamiento de información cuántica.a
Por otro lado, las moléculas fotónicas se podrían utilizar para crear nuevos tipos de dispositivos ópticos como filtros, interruptores y moduladores que operarían a altas velocidades con bajo consumo de energía. Estos dispositivos tendrían aplicaciones potenciales en las comunicaciones ópticas, concretamente para aumentar la capacidad y la eficiencia de las redes ópticas. Las moléculas fotónicas también pueden presentar propiedades ópticas no lineales interesantes, como la generación de segundo armónico, que es útil para la conversión de frecuencia y otras aplicaciones en óptica no lineal.
Otra aplicación sería en el campo de los sensores de pequeños cambios de temperatura o presión. Mediante el seguimiento de los cambios en las propiedades de la molécula fotónica se pueden detectar y medir pequeños cambios en el entorno.
