Una transición energética aparentemente inalcanzable

Los investigadores han conseguido abordar una inusual transición energética en un semiconductor

29.11.2021 - Alemania

Investigadores de Basilea y Bochum han logrado abordar una transición energética aparentemente inalcanzable en un átomo artificial utilizando luz láser. Utilizando el llamado proceso Auger radiativo, han sido el primer equipo en excitarlo específicamente. En este proceso, un electrón cae de un nivel de energía superior a otro inferior y, como resultado, emite su energía en parte en forma de luz y en parte transfiriéndola a otro electrón. Los átomos artificiales son zonas estrechamente definidas en los semiconductores que algún día podrían constituir la base de la comunicación cuántica. El equipo de la Universidad de Basilea y de la Ruhr-Universität Bochum, junto con sus colegas de Münster y Wroclaw, describen los resultados en "Nature Communications", publicado en línea el 12 de noviembre de 2021.

Los electrones se mueven entre estados energéticos

Los átomos están formados por un núcleo y electrones que se desplazan alrededor del núcleo. Estos electrones pueden asumir diferentes niveles de energía. Los electrones que están más unidos al núcleo, es decir, más cerca de él, tienen una energía más baja que los electrones que están más alejados del núcleo. Sin embargo, los electrones no pueden asumir cualquier nivel de energía arbitrario, sólo son posibles ciertos niveles.

Si un electrón adquiere energía, por ejemplo, al absorber una partícula luminosa, es decir, un fotón, puede ascender a un nivel de energía superior. Si un electrón cae a un nivel energético inferior, se libera energía. Esta energía puede ser emitida en forma de fotón. Pero también puede transferirse a uno de los otros electrones; en este caso, sólo una parte de la energía se libera en forma de luz, el resto es absorbido por el otro electrón. Este proceso se conoce como proceso Auger radiativo.

Excitación de una transición energética única con dos láseres

Al irradiar partículas de luz, los electrones no sólo pueden ser elevados a un nivel de energía más alto, sino que también pueden ser estimulados para emitir energía por una partícula de luz incidente. La energía de la partícula luminosa incidente debe corresponder siempre exactamente a la diferencia de los dos niveles de energía entre los que se va a transferir el electrón. Los investigadores han utilizado dos láseres: uno mueve los electrones entre un nivel de energía bajo y uno alto; el otro entre el nivel de energía alto y uno medio. Este nivel energético medio corresponde a un nivel de no equilibrio: la transferencia al nivel medio no existe sin un proceso Auger radiativo. Además, no debería haberse producido una transición entre el nivel de energía bajo y el medio, porque la luz correspondiente no fue irradiada. Sin embargo, precisamente esta transición aparentemente imposible se produjo en realidad debido a la transferencia de energía de un electrón a otro en el proceso Auger radiativo.

Las muestras de semiconductores ultrapuros para el experimento fueron producidas por el Dr. Julian Ritzmann en la Ruhr-Universität Bochum bajo la supervisión del Dr. Arne Ludwig en la Cátedra de Física Aplicada del Estado Sólido dirigida por el Profesor Andreas Wieck. Las mediciones fueron realizadas por un equipo de la Universidad de Basilea dirigido por Clemens Spinnler, Liang Zhai, Giang Nguyen y el Dr. Matthias Löbl en el grupo dirigido por el profesor Richard Warburton.

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