Emisores de luz "locos"

Descubierto un fenómeno cuántico inusual

31.01.2022 - Alemania

Los científicos del clúster de excelencia Würzburg-Dresden ct.qmat-Complexity and Topology in Quantum Matter han confirmado experimentalmente un movimiento muy inusual de las partículas emisoras de luz en semiconductores atómicamente finos. Las cuasipartículas electrónicas, conocidas como excitones, parecían moverse en direcciones opuestas al mismo tiempo. El profesor Alexey Chernikov -físico recién nombrado de la Technische Universität Dresden- y su equipo pudieron revelar las consecuencias de este fenómeno cuántico mediante el seguimiento de la emisión de luz de los excitones móviles utilizando microscopía ultrarrápida a temperaturas extremadamente bajas. Estos descubrimientos hacen que el tema del transporte cuántico de los estados excitónicos de muchos cuerpos pase a ser el centro de la investigación moderna. Los resultados de este trabajo se han publicado en la revista Physical Review Letters.

Emisores de luz en materia atómica

Los materiales cuánticos estudiados por Alexey Chernikov y su equipo tienen un grosor de sólo unos átomos. Debido a las fortísimas interacciones que se dan en estos sistemas, los electrones se unen para formar nuevos estados conocidos como excitones. Los excitones se comportan como partículas independientes y son capaces de absorber y emitir luz con gran eficacia. En capas atómicamente finas son estables desde las temperaturas más bajas, como 268 grados Celsius bajo cero, hasta la temperatura ambiente.

En cuanto al actual proyecto de investigación, que se centra en el movimiento de los excitones en la materia ultrafina, el físico Chernikov explica "Los excitones pueden entenderse como una especie de fuentes de luz en movimiento. Al igual que otros objetos de la mecánica cuántica, combinan las propiedades de las ondas y de las partículas y se propagan a través de cristales atómicamente finos. Esto significa que pueden almacenar y transportar tanto energía como información, pero también convertirlas de nuevo en luz. Eso los hace especialmente interesantes para nosotros".

Tras la pista de las cuasipartículas "locas"

El rápido movimiento de los excitones en semiconductores atómicamente finos se visualizó mediante microscopía óptica de alta sensibilidad: "Primero aplicamos un breve pulso láser al material que generó los excitones. Luego utilizamos un detector ultrarrápido para observar cuándo y dónde se reemite la luz. Sin embargo, cuando repetimos estos experimentos a temperaturas muy bajas, el movimiento de las cuasipartículas resultó bastante sorprendente", afirma Chernikov.

Moverse en dos direcciones al mismo tiempo

Hasta ahora, la comunidad científica conocía dos tipos generales de movimiento de los excitones: o bien los excitones "saltan" de una molécula a otra (proceso conocido como salto), o bien se mueven de forma más bien "clásica", como las bolas de billar que cambian de dirección tras eventos de dispersión aleatorios. "En los semiconductores ultrafinos, sin embargo, los excitones se comportaron de una manera que nunca habíamos visto antes. Al final, la única explicación posible era que los excitones se movían ocasionalmente a través de bucles cerrados en direcciones opuestas al mismo tiempo. De hecho, este comportamiento ya se conocía en el caso de los electrones individuales. Sin embargo, observar esto experimentalmente para excitones luminiscentes era bastante inusual", señala Chernikov.

Después de que todos los experimentos de control confirmaran el resultado, los científicos buscaron la causa de su inusual observación. Un trabajo teórico publicado recientemente por el investigador ruso Mikhail M. Glazov, del Instituto Ioffe de San Petersburgo, proporcionó la información clave: Glazov describe cómo los excitones de los semiconductores atómicamente finos pueden moverse por caminos cerrados, en forma de anillo, y entrar en estados superpuestos. Esto significa que los excitones parecen moverse al mismo tiempo en el sentido de las agujas del reloj y en sentido contrario. Este efecto es un fenómeno puramente mecánico cuántico, que no se da en las partículas clásicas. Junto con el equipo de Ermin Malic, de la Universidad Philipps de Marburgo, que aportó información adicional sobre la dinámica de los excitones, los científicos lograron por fin rastrear este comportamiento inusual.

Perspectiva

En una colaboración con colegas internacionales, el equipo de Alexey Chernikov ha mostrado una forma de controlar experimentalmente los efectos de la mecánica cuántica en el movimiento de complejos de muchas partículas que interactúan. Sin embargo, la investigación sobre el transporte cuántico de cuasipartículas excitónicas aún está en sus inicios. En el futuro, materiales como las capas ultrafinas examinadas por Chernikov podrían servir de base para nuevos tipos de fuentes láser, sensores de luz, células solares o incluso bloques de construcción para ordenadores cuánticos.

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