Cuando los electrones se visten de luz

La luz, ¿el quinto elemento de la ciencia de los materiales?

17.04.2023 - Alemania

Nuevas propiedades de los materiales, a la velocidad del rayo y a la carta: esta visión está un paso más cerca gracias a los recientes hallazgos de un grupo paneuropeo de investigación en física. El equipo utiliza campos de luz ultracortos y potentes para observar directamente cómo surgen en un cristal estados energéticos exóticos, conocidos como bandas de Floquet. Los científicos publican sus hallazgos en la revista de investigación Nature.

"El descubrimiento de nuevas propiedades de los materiales suele depender de nuestra capacidad para controlar su composición química", explica Ulrich Höfer, catedrático de Física Experimental de la Universidad Philipps de Marburgo y profesor visitante de la Universidad de Ratisbona. "La manipulación puramente óptica de las propiedades de los materiales, por otra parte, podría llevar a la física a una nueva era al permitir nuevas funciones a la carta", añade Höfer: Las perturbaciones periódicas del campo de luz intensa hacen que los electrones no tengan sólo un estado de energía fijo, sino muchos estados de energía espaciados uniformemente. "El estado energético original se rodea, por así decirlo, de varias envolturas de luz", explica Rupert Huber, profesor del Instituto de Física Experimental y Aplicada de la Universidad de Ratisbona y coautor principal. Los expertos denominan a este estado "estado Floquet". "Sin embargo, las propiedades dinámicas de tales estados -por ejemplo, la cuestión de cuánto tardan los electrones en 'revestirse' de luz- han permanecido desconocidas hasta ahora", detalla Huber.

Los Centros de Investigación Colaborativa Estructura y Dinámica de las Interfaces Internas y Efectos Relativistas Emergentes en la Materia Condensada de la Fundación Alemana para la Investigación en las Universidades de Marburgo y Ratisbona ofrecen las condiciones ideales para colmar estas lagunas de investigación. El equipo eligió la espectroscopia de fotoelectrones para estudiar la superficie de un cristal. "Con nuestras mediciones, superamos el límite de lo que se podía realizar con esta espectroscopia hasta la fecha en términos de resolución temporal en campos de luz intensos", subraya Suguru Ito, postdoctorando en la Universidad Philipps de Marburgo y autor principal del artículo. Como resultado, el equipo hizo un descubrimiento imprevisto, dice: "Sorprendentemente, las bandas de Floquet se forman después de un solo ciclo óptico, un tiempo muy corto."

"Los revisores apenas podían creerlo al principio", añade Höfer. Pero los claros resultados experimentales están respaldados por la modelización teórica, realizada por Michael Schüler, del Instituto Paul Scherrer de Villigen (Suiza), y Michael Sentef, entonces jefe de grupo en el Instituto Max Planck de Estructura y Dinámica de la Materia de Hamburgo y ahora catedrático de Física del Estado Sólido en la Universidad de Bremen.

El trabajo aporta nueva información importante sobre la evolución de las bandas de Floquet, explica Sentef: "El aderezo de electrones con luz suele ser particularmente difícil en los sólidos porque la energía introducida se convierte rápidamente en calor. Al demostrar que esta transformación se produce después de un solo ciclo óptico, allanamos el camino para cambiar las propiedades del estado sólido muy rápidamente y con mucha fuerza con la luz".

"Nuestro experimento abre la posibilidad de visualizar una amplia gama de estados cuánticos transitorios", añade Huber. "Esto allana el camino hacia funciones cuánticas a medida y electrónica ultrarrápida".

Además de los grupos de investigación de Marburgo y Ratisbona, en la publicación han participado científicos del MPSD, el Instituto Paul Scherrer y el Instituto A. V. Rzhanov de Novosibirsk (Rusia). La cooperación con el colega ruso tuvo lugar antes de la guerra de Ucrania. La Fundación Alemana de Investigación financió a los científicos participantes a través de los centros de investigación en colaboración de Marburgo y Ratisbona y del programa Emmy Noether. Varias organizaciones internacionales de financiación proporcionaron apoyo financiero adicional.

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