Partitura para dos moléculas: los dipolos permanentes dirigen los estados oscuros ✛

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Dos voces en un dúo molecular pueden sonar al unísono o apagarse mutuamente hasta el silencio. En física, ese silencio se llama estado oscuro: una excitación cuántica que no interactúa con la luz y, por lo tanto, vive un tiempo extraordinariamente largo. Para un par de moléculas unidas, un dímero, los estados oscuros han sido durante mucho tiempo una herramienta de trabajo, pero hasta ahora los cálculos no tenían en cuenta un detalle que, según se ha descubierto, puede cambiar por completo la partitura. Se trata de los dipolos permanentes: la separación de cargas que existe en la molécula incluso sin campo externo.

Muchas moléculas orgánicas tienen un dipolo permanente: en el estado fundamental, la nube electrónica está desplazada hacia un lado, y tras la excitación, hacia el otro. Esta diferencia, aunque parezca pequeña, en el dímero actúa como un director que modifica la interacción entre las voces. Los autores construyeron el hamiltoniano del dímero incluyendo explícitamente los momentos dipolares permanentes de ambos monómeros y consideraron tres tipos de acoplamiento electrostático: directo entre estados excitados, indirecto a través del estado fundamental común y mixto. Resulta que, en el acoplamiento indirecto, los dipolos permanentes interfieren con los dipolos de transición, que miden la capacidad de una molécula para absorber o emitir luz. Esto permite formar estados oscuros incluso cuando los dipolos de transición de los monómeros son ortogonales y, por el método habitual, no se puede construir un estado oscuro.

El acoplamiento mixto abre una posibilidad aún más interesante: estados oscuros completamente localizados. La excitación queda confinada en un solo monómero, pero es ópticamente accesible a través de otro nivel excitado. La simulación numérica con perturbaciones térmicas (desviación estándar de 25 meV) mostró que, con una proporción óptima entre el acoplamiento directo e indirecto, la velocidad de decaimiento del estado oscuro cae en órdenes de magnitud. Por ejemplo, con $Q_X$=0, el decaimiento desde el estado |2(C)⟩ es 100 veces más lento que desde |1(C)⟩. El ruido térmico, que normalmente destruye la coherencia, aquí resulta casi impotente.

Antes se consideraba que los dipolos permanentes eran una pequeña corrección que no merecía atención. Ahora está claro que son una herramienta activa para ajustar las propiedades ópticas. Tener en cuenta estos dipolos permite construir deliberadamente estados oscuros robustos, que pueden servir como celdas fiables para almacenar energía o información cuántica. En las celdas solares orgánicas, estos estados reducen las pérdidas por recombinación, y en las tecnologías cuánticas protegen contra la degradación. Dos voces, dirigidas por los dipolos permanentes, ahora pueden mantener el silencio mucho más tiempo de lo que se creía posible.