Wanneer licht interageert met materie, bijvoorbeeld, wanneer een laserstraal een tweedimensionaal materiaal zoals grafeen raakt, het kan het gedrag van het materiaal aanzienlijk veranderen. Afhankelijk van de vorm van interactie tussen licht en materie, sommige chemische reacties zien er anders uit, stoffen worden magnetisch of ferro-elektrisch of beginnen elektriciteit te geleiden zonder enig verlies. In bijzonder spannende gevallen, een echte lichtbron is misschien niet eens nodig omdat de loutere mogelijkheid dat licht bestaat, d.w.z., zijn kwantumequivalent, de fotonen, kan het gedrag van materie veranderen. Theoretische wetenschappers proberen deze fascinerende verschijnselen te beschrijven en te voorspellen, omdat ze cruciaal kunnen zijn bij de ontwikkeling van nieuwe kwantumtechnologieën.

Echter, het berekenen van quantumlicht-materie-interacties kost niet alleen enorme hoeveelheden tijd en rekenkracht, het wordt ook erg omslachtig. Het beschrijven van de sterke interactie tussen een realistisch materiaal met fotonen kost al snel duizenden euro's. Nu hebben wetenschappers van de Theorie-afdeling van het Max Planck Instituut voor de Structuur en Dynamiek van Materie (MPSD) in Hamburg een manier gevonden om sommige van deze berekeningen te vereenvoudigen. Hun werk, nu gepubliceerd in PNAS , biedt een belangrijke stap in de richting van de integratie van de kwantumaard van licht in moderne apparaten.

"Stel je voor dat je een set bouwstenen krijgt om een ​​model van de beroemde Berlijnse Poort te bouwen, " zegt Christian Schäfer, hoofdauteur van de studie. "Intuïtief, we beginnen de stenen op elkaar te plaatsen om op de vorm van de poort te lijken, maar met elke steen, de constructie wordt instabieler en duurder. evenzo, omdat we soms vele honderden fotonen moeten beschouwen, onze berekeningen kunnen overweldigend complex worden en de kosten van onze theoretische voorspellingen lopen zeer snel op. In feite, deze kosten zijn zo onbetaalbaar dat het voorspellen van het volledige samenspel tussen veel fotonen en realistische moleculen de facto onmogelijk te berekenen is, zelfs op de snelste en grootste bestaande supercomputers."

Nutsvoorzieningen, het MPSD-team, gevestigd in het Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) in Hamburg, heeft een eenvoudige maar briljante manier gevonden om dit probleem te omzeilen. Door de vergelijking te hervormen zodat het materiële deel zelf de kwantummechanische onzekerheid van het licht verklaart, er zijn veel minder extra fotonen nodig om het gecombineerde systeem van kwantumlicht en materie te beschrijven.

"In werkelijkheid, we hebben de Berlijnse poort gebouwd door hem uit de eerste steen te snijden om ongeveer hetzelfde resultaat te bereiken, " legt Schäfer uit. "Dit stelt ons in staat om de kwantuminteractie tussen licht en materie te beschrijven met zeer weinig extra kosten in vergelijking met alleen het materiaal te beschouwen."

Om een ​​voorbeeld te nemen, wanneer de interactie tussen licht en materie zo sterk wordt dat beide systemen echt verweven raken, elke mogelijke configuratie van het lichtveld kan de overweging van honderden fotonen vereisen. De nieuwe benadering kan de meeste kenmerken van deze extreme limiet vastleggen zonder dat er überhaupt naar een foton hoeft te worden gekeken. Het toevoegen van slechts enkele fotonen is dan voldoende om het volledige beeld te krijgen.

De methode levert aanzienlijke besparingen op in rekentijd en biedt een raamwerk voor wetenschappers om de wisselwerking tussen kwantumlicht en materie te voorspellen voor realistische systemen in situaties die onbetaalbaar waren om te simuleren. "Onze aanpak kan dienen als een solide basis voor toekomstige ontwikkelingen, een pad bieden om kwantumlicht sterker te integreren in de chemie, materiaalontwerp en kwantumtechnologie, "zegt Schäfer. "Binnen het algemene formalisme wachten misschien nog veel nieuwe effecten op ontdekking, ", voegt MPSD Theory-directeur Angel Rubio toe. "De engineering van materialen en moleculaire complexen door middel van licht wordt een realiteit. We beginnen aan een lange en opwindende reis om de volledige potentiële implicaties ervan in nieuwe kwantumtechnologieën te verkennen en het werk van het team biedt een belangrijke stap op dit pad."