Una nueva herramienta que utiliza la luz para trazar un mapa de las estructuras electrónicas de los cristales podría revelar las capacidades de los materiales cuánticos emergentes y allanar el camino para las tecnologías energéticas avanzadas y las computadoras cuánticas. según investigadores de la Universidad de Michigan, Universidad de Regensburg y Universidad de Marburg.

Se publica un artículo sobre el trabajo en Ciencias .

Las aplicaciones incluyen luces LED, células solares y fotosíntesis artificial.

"Los materiales cuánticos podrían tener un impacto mucho más allá de la computación cuántica, "dijo Mackillo Kira, profesor de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad de Michigan, quien dirigió el lado teórico del nuevo estudio. "Si optimiza correctamente las propiedades cuánticas, puede obtener una eficiencia del 100% para la absorción de la luz ".

Las células solares basadas en silicio ya se están convirtiendo en la forma más barata de electricidad, aunque su eficiencia de conversión de luz solar a electricidad es bastante baja, al rededor de 30%. Semiconductores "2-D" emergentes, que consisten en una sola capa de cristal, podría hacerlo mucho mejor, utilizando potencialmente hasta el 100% de la luz solar. También podrían elevar la computación cuántica a temperatura ambiente desde las máquinas cercanas al cero absoluto demostradas hasta ahora.

"Ahora se están descubriendo nuevos materiales cuánticos a un ritmo más rápido que nunca, "dijo Rupert Huber, profesor de física en la Universidad de Ratisbona en Alemania, quien dirigió el trabajo experimental. "Simplemente apilando esas capas una encima de la otra bajo ángulos de torsión variables, y con una amplia selección de materiales, los científicos ahora pueden crear sólidos artificiales con propiedades verdaderamente sin precedentes ".

La capacidad de mapear estas propiedades hasta los átomos podría ayudar a agilizar el proceso de diseño de materiales con las estructuras cuánticas adecuadas. Pero estos materiales ultrafinos son mucho más pequeños y desordenados que los cristales anteriores, y los viejos métodos de análisis no funcionan. Ahora, Los materiales 2-D se pueden medir con el nuevo método basado en láser a temperatura y presión ambiente.

Las operaciones medibles incluyen procesos que son clave para las células solares, láseres y computación cuántica impulsada ópticamente. Esencialmente, los electrones emergen entre un "estado fundamental, "en los que no pueden viajar, y estados en la "banda de conducción del semiconductor, "en el que son libres de moverse por el espacio. Lo hacen absorbiendo y emitiendo luz.

El método de mapeo cuántico utiliza un pulso de luz láser roja de 100 femtosegundos (100 cuadrillonésimas de segundo) para sacar electrones del estado fundamental y colocarlos en la banda de conducción. A continuación, los electrones reciben un segundo pulso de luz infrarroja. Esto los empuja para que oscilen hacia arriba y hacia abajo en un "valle" de energía en la banda de conducción, un poco como patinadores en un halfpipe.

El equipo utiliza la naturaleza de onda / partícula dual de los electrones para crear un patrón de onda estacionaria que parece un peine. Descubrieron que cuando el pico de este peine de electrones se superpone con la estructura de bandas del material, su estructura cuántica, los electrones emiten luz intensamente. Esa poderosa emisión de luz a lo largo, con el estrecho ancho de las líneas de peine, ayudó a crear una imagen tan nítida que los investigadores la llaman superresolución.

Al combinar esa información de ubicación precisa con la frecuencia de la luz, el equipo pudo trazar un mapa de la estructura de bandas del diselenuro de tungsteno semiconductor 2-D. No solo eso, pero también podían obtener una lectura del momento angular orbital de cada electrón a través de la forma en que el frente de la onda de luz se retorcía en el espacio. Manipular el momento angular orbital de un electrón, también conocido como pseudospin, es una vía prometedora para almacenar y procesar información cuántica.

En diselenuro de tungsteno, el momento angular orbital identifica cuál de dos "valles" diferentes ocupa un electrón. Los mensajes que envían los electrones pueden mostrar a los investigadores no solo en qué valle se encontraba el electrón, sino también cómo se ve el paisaje de ese valle y qué tan separados están los valles. que son los elementos clave necesarios para diseñar nuevos dispositivos cuánticos basados ​​en semiconductores.

Por ejemplo, cuando el equipo usó el láser para empujar electrones por el lado de un valle hasta que cayeron en el otro, los electrones emitieron luz en ese punto de caída, también. Esa luz da pistas sobre las profundidades de los valles y la altura de la cresta entre ellos. Con este tipo de información, los investigadores pueden averiguar cómo le iría al material para una variedad de propósitos.

El papel se titula, "Tomografía de ondas de luz de superresolución de bandas electrónicas en materiales cuánticos".