Quando a luz interage com a matéria, por exemplo, quando um feixe de laser atinge um material bidimensional como o grafeno, pode alterar substancialmente o comportamento do material. Dependendo da forma de interação entre luz e matéria, algumas reações químicas aparecem de forma diferente, as substâncias tornam-se magnéticas ou ferroelétricas ou começam a conduzir eletricidade sem quaisquer perdas. Em casos particularmente emocionantes, uma fonte de luz real pode nem mesmo ser necessária devido à mera possibilidade de existência de luz, ou seja, seu equivalente quântico, os fótons, pode mudar o comportamento da matéria. Cientistas teóricos tentam descrever e prever esses fenômenos fascinantes porque eles podem ser cruciais no desenvolvimento de novas tecnologias quânticas.

Contudo, calcular as interações quânticas luz-matéria não apenas consome enormes quantidades de tempo e poder de computação - também se torna muito complicado. Descrever a forte interação entre um material realista com fótons consome facilmente milhares de euros. Agora, cientistas do Departamento de Teoria do Instituto Max Planck para a Estrutura e Dinâmica da Matéria (MPSD) em Hamburgo encontraram uma maneira de simplificar alguns desses cálculos. Trabalho deles, agora publicado em PNAS , fornece um passo significativo para a integração da natureza quântica da luz em dispositivos modernos.

"Imagine que você receba um conjunto de tijolos de construção para construir uma maquete do famoso Portão de Berlim, "diz Christian Schäfer, autor principal do estudo. "Intuitivamente, começamos a colocar as pedras umas em cima das outras para se assemelhar ao formato do portão, mas com cada pedra, a construção se torna mais instável e cara. De forma similar, porque às vezes temos que considerar muitas centenas de fótons, nossos cálculos podem se tornar extremamente complexos e o custo de nossas previsões teóricas aumenta muito rapidamente. Na verdade, este custo é tão proibitivo que prever a interação total entre muitos fótons e moléculas realistas é de fato impossível de calcular, mesmo nos maiores e mais rápidos supercomputadores existentes. "

Agora, a equipe MPSD, baseado no Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) em Hamburgo, encontrou uma maneira simples, mas brilhante de contornar esse problema. Ao remodelar a equação de modo que a própria parte material seja responsável pela incerteza mecânica quântica da luz, muito menos fótons adicionais são necessários para descrever o sistema combinado de luz quântica e matéria.

"Na verdade, construímos o Portão de Berlim esculpindo-o na primeira pedra para chegar aproximadamente ao mesmo resultado, "explica Schäfer." Isso nos permite descrever a interação quântica entre a luz e a matéria com muito pouco custo adicional em comparação com apenas considerar o material. "

Para dar um exemplo, quando a interação entre a luz e a matéria se torna tão forte que ambos os sistemas se tornam verdadeiramente entrelaçados, cada configuração possível do campo de luz pode exigir a consideração de centenas de fótons. A nova abordagem pode capturar a maioria das características desse limite extremo, sem a necessidade de considerar nenhum fóton. Adicionar apenas alguns fótons é o suficiente para fornecer a imagem completa.

O método gera economias consideráveis ​​no tempo de computação e fornece uma estrutura para os cientistas preverem a interação entre a luz quântica e a matéria para sistemas realistas em situações cuja simulação era proibitiva. "Nossa abordagem pode servir como uma base sólida para desenvolvimentos futuros, fornecendo um caminho para integrar a luz quântica mais fortemente na química, material design e tecnologia quântica, "Schäfer diz." Dentro do formalismo geral, muitos efeitos novos ainda podem aguardar descoberta, "acrescenta o diretor da Teoria do MPSD, Angel Rubio." A engenharia de materiais e complexos moleculares por meio da luz está se tornando uma realidade. Estamos embarcando em uma longa e emocionante jornada para explorar todas as implicações potenciais em novas tecnologias quânticas e o trabalho da equipe fornece um passo importante ao longo desse caminho. "