Física Teórica de la Materia Condensada

Las propiedades de los sistemas de materia condensada cambian de manera drástica cuando sus dimensiones se reducen desde la escala macroscópica hasta la nanoscala. En este régimen, la longitud de coherencia de fase de los electrones puede volverse comparable a las dimensiones del sistema, y los efectos cuánticos pasan a ser dominantes.

En nuestro departamento estudiamos teóricamente las propiedades electrónicas, mecánicas, térmicas y ópticas de sistemas a escala nanométrica. Nos interesa especialmente comprender el transporte cuántico en sistemas como contactos atómicos, uniones moleculares y nanostructuras híbridas que incorporan materiales superconductores o ferromagnéticos. Para ello utilizamos una combinación de modelos microscópicos y técnicas de la mecánica estadística cuántica fuera del equilibrio, lo que nos permite predecir los resultados experimentales. Este trabajo se realiza, en general, en estrecha colaboración con grupos experimentales.

La nanoóptica se dedica a comprender el comportamiento del campo electromagnético cuando se analiza en escalas de longitud menores que la de la luz visible. Este es un campo de investigación muy amplio que abarca desde aspectos fundamentales hasta aplicaciones tecnológicas. En nuestro grupo investigamos principalmente la propagación y confinamiento de la luz en volúmenes diminutos. La modulación del campo óptico en estas escalas requiere la interacción de la luz con materiales estructurados en dimensiones micro y nanométricas. Dichas estructuras incluyen puntos cuánticos, cintas de grafeno, microcavidades y guías de onda metálicas, entre otras.

Dadas las dimensiones involucradas, el análisis debe considerar tanto fenómenos cuánticos como clásicos. A nivel cuántico estudiamos, por ejemplo, cómo la modificación del entorno electromagnético puede alterar profundamente las propiedades de emisión de moléculas y átomos artificiales. Estas modificaciones permiten controlar los grados de libertad cuánticos del sistema emisor y manipular su entrelazamiento. En el ámbito clásico, utilizamos técnicas de óptica de transformación para modelar la propagación de plasmones superficiales. También investigamos metamateriales, una familia de sistemas cuya funcionalidad surge de una estructuración periódica a escalas menores que la longitud de onda de operación. Los metamateriales permiten fenómenos electromagnéticos completamente nuevos, inexistentes en la naturaleza, y tienen numerosas aplicaciones en plasmones, fotónica, acústica y otros fenómenos ondulatorios.

La Materia Blanda y la Biofísica constituyen uno de los campos más activos de la física de la materia condensada, tanto teórica como experimental. La mayoría de los sistemas de materia blanda pueden clasificarse como líquidos complejos: sistemas con muchos grados de libertad que interactúan de manera no trivial, en los que las fluctuaciones térmicas desempeñan un papel fundamental. El resultado es un comportamiento rico y diverso, en el que el sistema se autoorganiza en estructuras mesoscópicas, es decir, con escalas de tiempo y longitud intermedias entre las moleculares y las macroscópicas, que exhiben propiedades de equilibrio y de flujo novedosas.

Muchos sistemas biológicamente relevantes pueden considerarse materia blanda; la lista es extensa: emulsiones, geles, coloides, polímeros sintéticos o naturales, cristales líquidos, espumas y membranas, entre otros. La materia blanda se estudia mediante una amplia variedad de enfoques teóricos, computacionales y experimentales, y en diferentes escalas espaciales y temporales. Se emplean con frecuencia modelos de coarse-graining (o reducción de grados de libertad menos relevantes), junto con técnicas de mecánica estadística, dinámica molecular coarse-grained, simulaciones de Monte Carlo, hidrodinámica molecular y teoría del funcional de la densidad, entre otras

Las simulaciones de primeros principios (ab initio) se han convertido en una de las herramientas más potentes para abordar problemas en Ciencia de Materiales, Nanotecnología y Biología Teórica. En este tipo de simulaciones se implementan las leyes fundamentales de la mecánica cuántica en un ordenador, con el fin de calcular las propiedades electrónicas y mecánicas de sistemas que van desde átomos y biomoléculas hasta superficies, nanostructuras y sólidos. Estas técnicas complementan de forma ideal a los experimentos, ya que permiten acceder directamente a los procesos dinámicos y electrónicos que ocurren a escala atómica.

Los investigadores de nuestro departamento han participado activamente en la aplicación de estas técnicas para estudiar, a escala atómica, problemas complejos en ciencia de superficies y nanotecnología. Una de las principales líneas de investigación se centra en el desarrollo metodológico y computacional de códigos de primeros principios más eficientes y en la extensión de su aplicabilidad a nuevos problemas. En particular, se dedica un esfuerzo importante a vincular estas técnicas con otros métodos de simulación, como la dinámica molecular híbrida cuántico-clásica —para describir materiales biológicos en su entorno líquido natural—, y los métodos avanzados de funciones de Green fuera del equilibrio, empleados para predecir las propiedades de transporte electrónico en materiales.