När ljus interagerar med materia, till exempel, när en laserstråle träffar ett tvådimensionellt material som grafen, det kan väsentligt förändra materialets beteende. Beroende på formen av interaktion mellan ljus och materia, vissa kemiska reaktioner ser annorlunda ut, ämnen blir magnetiska eller ferroelektriska eller börjar leda elektricitet utan några förluster. I särskilt spännande fall, en verklig ljuskälla kanske inte ens är nödvändig eftersom bara möjligheten för ljus att existera, dvs. dess kvantekvivalent, fotoner, kan förändra materiens beteende. Teoretiska vetenskapsmän försöker beskriva och förutsäga dessa fascinerande fenomen eftersom de kan vara avgörande i utvecklingen av ny kvantteknologi.

Dock, att beräkna kvantljus-materia-interaktioner äter inte bara upp enorma mängder tid och datorkraft – det blir också väldigt krångligt. Att beskriva den starka interaktionen mellan ett realistiskt material med fotoner förbrukar lätt tusentals euro. Nu har forskare från teoriavdelningen vid Max Planck-institutet för materiens struktur och dynamik (MPSD) i Hamburg hittat ett sätt att förenkla några av dessa beräkningar. Deras arbete, nu publicerad i PNAS , ger ett betydande steg mot att integrera ljusets kvanta natur i moderna enheter.

"Föreställ dig att du får en uppsättning byggstenar för att bygga en modell av den berömda Berlinporten, säger Christian Schäfer, huvudförfattare till studien. "Intuitivt, vi börjar placera stenarna ovanpå varandra för att likna portens form, men med varje sten, konstruktionen blir mer instabil och dyrare. Liknande, eftersom vi ibland måste ta hänsyn till många hundra fotoner, våra beräkningar kan bli överväldigande komplexa och kostnaden för våra teoretiska förutsägelser spiraler väldigt snabbt. Faktiskt, denna kostnad är så oöverkomlig att det är omöjligt att beräkna det fulla samspelet mellan många fotoner och realistiska molekyler. även på de snabbaste och största befintliga superdatorerna."

Nu, MPSD-teamet, baserad på Centre for Free-Electron Laser Science (CFEL) i Hamburg, har hittat ett enkelt men briljant sätt att kringgå detta problem. Genom att omforma ekvationen så att själva materialdelen står för ljusets kvantmekaniska osäkerhet, mycket färre extra fotoner behövs för att beskriva det kombinerade systemet av kvantljus och materia.

"I själva verket, vi byggde Berlinporten genom att rista den från den första stenen för att nå ungefär samma resultat, " förklarar Schäfer. "Detta tillåter oss att beskriva kvantinteraktionen mellan ljus och materia med mycket liten extra kostnad jämfört med att bara betrakta materialet."

För att ta ett exempel, när interaktionen mellan ljus och materia blir så stark att båda systemen verkligen blir sammanflätade, varje möjlig konfiguration av ljusfältet kan kräva övervägande av hundratals fotoner. Det nya tillvägagångssättet kan fånga de flesta funktioner i denna extrema gräns utan att behöva överväga någon foton alls. Att bara lägga till några fotoner är då tillräckligt för att ge hela bilden.

Metoden ger avsevärda besparingar i beräkningstid och ger ett ramverk för forskare att förutsäga samspelet mellan kvantljus och materia för realistiska system i situationer som var oöverkomliga att simulera. "Vårt tillvägagångssätt kan fungera som en solid grund för framtida utveckling, tillhandahålla en väg för att integrera kvantljus starkare i kemi, materialdesign och kvantteknik, " säger Schäfer. "Inom den allmänna formalismen kanske många nya effekter fortfarande väntar på upptäckt, ", tillägger MPSD Theory-chefen Angel Rubio. "Konstruktionen av material och molekylära komplex genom ljus håller på att bli verklighet. Vi ger oss ut på en lång och spännande resa för att utforska dess fulla potentiella implikationer i nya kvantteknologier och teamets arbete utgör ett viktigt steg på denna väg."