Un attoclock cristalino
Los físicos miden la dinámica de los electrones móviles en los sólidos con una resolución temporal sin precedentes
Por experiencia, conducir por el centro de la ciudad lleva más tiempo que recorrer la misma distancia en una carretera nacional. Al fin y al cabo, en el centro de la ciudad te encontrarás con muchos otros usuarios, semáforos en rojo, obras y atascos. Por el contrario, si quieres saber el grado de congestión de una carretera sin tener que unirte al tráfico, puedes medir el tiempo que tardan los coches en recorrer una determinada distancia. Así es precisamente como los sistemas de navegación modernos identifican los atascos. En el microcosmos, este concepto se mantiene. Cuando los electrones (los portadores de carga más pequeños posibles) se mueven por los sólidos, pueden interactuar con otros electrones, cambiando su dinámica. Sin embargo, debido a la minúscula masa de los electrones, los procesos correspondientes tienen lugar a una velocidad inimaginable y siguen las intrigantes leyes de la física cuántica en lugar de la mecánica clásica.
Los campos de luz pueden acelerar electrones y huecos a través de los sólidos. Cuando los portadores de carga chocan, se emite luz. Al medir el proceso con extrema precisión en el tiempo, se pueden extraer conclusiones sobre las correlaciones de muchos cuerpos en el cristal.
Brad Baxley (parttowhole.com)
Un grupo de físicos dirigido por el Prof. Dr. Rupert Huber, del Instituto de Física Experimental y Aplicada de la Universidad de Ratisbona (Alemania), y el Prof. Dr. Mackillo Kira, del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de la Universidad de Michigan (EE.UU.), ha conseguido por primera vez seguir el movimiento ultrarrápido de los electrones libres en los sólidos con una precisión alucinante de sólo unos cientos de attosegundos. Esta resolución es suficiente para investigar los cambios más pequeños en la dinámica cuántica de los electrones causados por la atracción de otros portadores de carga o por complejas correlaciones de muchos cuerpos. El equipo de investigadores informa de sus resultados en el número actual de la revista científica Nature.
Un attosegundo corresponde a la milmillonésima parte de la milmillonésima parte de un segundo, que se relaciona con un segundo como un segundo lo hace con el doble de la edad del universo. Incluso la luz sólo recorrería una distancia del orden del diámetro de un átomo en un attosegundo. Para medir el movimiento de los electrones en escalas de tiempo tan cortas, los investigadores desarrollaron un nuevo tipo de cronómetro de attosegundos. El "péndulo" de este reloj viene dado por la onda portadora oscilante de la luz, el campo alterno más rápido que puede ser controlado por el ser humano. El campo luminoso pone literalmente a los portadores de carga en una pista de prueba a través del sólido. Primero acelera los electrones de las muestras de semiconductores en una dirección y luego, tras invertir la dirección del campo, los vuelve a colisionar con el hueco del que fueron extraídos, los llamados huecos. En este proceso se emiten fotones de alta energía. Las colisiones no tienen siempre la misma probabilidad de producirse, sino que dependen del momento en que el electrón comienza su movimiento.
Los investigadores cronometraron esta trayectoria de colisión con una precisión superior a la centésima parte de un periodo de oscilación de la luz y pudieron así mostrar cómo las diferentes fuerzas de atracción entre los portadores de carga cambian su dinámica. "Al igual que es mejor salir antes en un tráfico denso para llegar a tiempo a tu destino, los electrones tienen que empezar antes su curso de colisión si hay muchos y fuertes encuentros entre electrones en un cristal", explica con entusiasmo el primer autor, Josef Freudenstein, del Instituto de Física Experimental y Aplicada de la Universidad de Ratisbona.
Para investigar la influencia de fuerzas de atracción diferentes entre portadores de carga, los investigadores estudiaron una sola capa atómica del material semiconductor diselenuro de tungsteno junto a una muestra a granel del mismo material. En un sólido exótico de tan mínimo espesor, la atracción entre los portadores de carga se multiplica y el movimiento de los electrones cambia. Además, fue posible investigar otros parámetros críticos para la dinámica de los portadores de carga: Si el campo luminoso acelerador se amplifica, los electrones completan su curso de colisión más rápidamente. El mismo resultado se observa también cuando muchos electrones inician su recorrido al mismo tiempo. Entonces se apantallan unos a otros y los portadores de carga sólo ven fuerzas de atracción débiles.
A partir del tiempo medido que tardan los electrones en terminar su recorrido de prueba, se puede deducir así no sólo que se ha producido una interacción, sino también cómo. "En la escala de tiempo de los attosegundos, los efectos de la interacción ya no pueden explicarse mediante las leyes de la física clásica, sino que son de naturaleza puramente mecánica cuántica. Seguir directamente en el dominio del tiempo cómo afectan al movimiento de los electrones es inmensamente útil para poner a prueba las más modernas teorías cuánticas de muchos cuerpos", explica el profesor Dr. Mackillo Kira, cuyo grupo ha podido simular la dinámica microscópica con cálculos de mecánica cuántica.
"Durante mucho tiempo, la comunidad de físicos del estado sólido solía creer que la escala de tiempo de los femtosegundos, mucho más lenta, era suficiente para describir la dinámica de los electrones relevantes para el estado sólido; nuestros resultados refutan claramente esta hipótesis", resume el profesor Dr. Rupert Huber, que dirige los experimentos en Ratisbona, y añade: "Nuestro cronómetro de attosegundos puede ayudar a comprender mejor las correlaciones de muchos cuerpos en los materiales cuánticos modernos y marcar nuevas tendencias para el futuro procesamiento de la información cuántica".
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