Científicos de la Universidad de Konstanz y la Universidad de Paderborn han logrado producir y demostrar lo que se conoce como localización Wannier-Stark por primera vez. Al hacerlo, los físicos lograron superar obstáculos que hasta ahora se habían considerado insuperables en el campo de la optoelectrónica y la fotónica. La localización de Wannier-Stark provoca un desequilibrio extremo dentro del sistema eléctrico de sólidos cristalinos. “Este efecto fundamental se predijo hace más de 80 años. Pero desde entonces no ha quedado claro si este estado puede realizarse en un cristal a granel, es decir, en el nivel de enlaces químicos entre átomos, "dice el profesor Alfred Leitenstorfer, profesor de física experimental en la Universidad de Konstanz. Hasta ahora se han demostrado análogos del efecto solo en sistemas artificiales como superredes de semiconductores o gases atómicos ultrafríos. En un sólido a granel, La localización de Wannier-Stark solo se puede mantener durante un período de tiempo extremadamente corto, más corto que una sola oscilación de luz infrarroja. Utilizando los sistemas láser ultrarrápidos de la Universidad de Konstanz, La localización de Wannier-Stark ahora se ha demostrado por primera vez. El experimento se realizó en un cristal de arseniuro de galio de alta pureza cultivado en ETH Zurich usando crecimiento epitaxial. Los resultados de la investigación fueron publicados en la revista científica Comunicaciones de la naturaleza el 23 de julio de 2018.

Un cristal se puede visualizar como una cuadrícula tridimensional compuesta por pequeñas cuentas que se repelen entre sí y solo se mantienen juntas mediante bandas de goma. El sistema permanece estable siempre que la goma elástica sea tan fuerte como la repulsión. Si este es el caso, las cuentas ni se acercan entre sí, tampoco se alejan el uno del otro, la distancia entre ellos permanece aproximadamente igual. La localización de Wannier-Stark ocurre cuando las bandas elásticas se quitan abruptamente. Es el estado electrónico que ocurre en el momento preciso en el que las bandas elásticas ya se han ido pero las cuentas aún permanecen en su lugar:los enlaces químicos que mantienen unido el cristal se han suspendido.

Si este estado se mantiene durante demasiado tiempo, las cuentas se romperán y el cristal se disolverá. Para analizar la localización de Wannier-Stark, los físicos tuvieron que quitar las estructuras estabilizadoras, capturar el sistema dentro de una fracción de una oscilación de luz usando pulsos de luz, y finalmente estabilizarlo nuevamente para evitar que los átomos se rompan. El experimento fue posible gracias al campo eléctrico de alta intensidad de un pulso de luz infrarroja ultracorta, que está presente en el cristal sólo durante unos pocos femtosegundos. "Esto es en lo que nos especializamos:estudiar fenómenos que solo existen en escalas de tiempo muy cortas, "explica Alfred Leitenstorfer.

"En aisladores y semiconductores perfectos, los estados electrónicos se expanden por todo el cristal. Según una predicción de 80 años, esto cambia tan pronto como se aplica voltaje eléctrico, ", dice el profesor Torsten Meier de la Universidad de Paderborn." Si el campo eléctrico dentro del cristal es lo suficientemente fuerte, los estados electrónicos se pueden localizar en unos pocos átomos. Este estado se llama la escalera Wannier-Stark, "explica el físico.

"Un sistema que se desvía tanto de su equilibrio tiene características completamente nuevas, "dice Alfred Leitenstorfer acerca de por qué este estado es tan interesante desde una perspectiva científica. La localización de Wannier-Stark de corta duración se correlaciona con cambios drásticos en la estructura electrónica del cristal y los resultados, por ejemplo, en una no linealidad óptica extremadamente alta. Los científicos también asumen que este estado es químicamente particularmente reactivo.

La primera realización experimental de la localización de Wannier-Stark en un cristal de arseniuro de galio fue posible gracias a una radiación de Terahercios de alta intensidad con intensidades de campo de más de diez millones de voltios por centímetro. La aplicación de pulsos de luz óptica más ultracortos resultó en cambios en las características ópticas del cristal, que fue fundamental para probar este estado. "Si utilizamos pulsos de luz adecuadamente intensos que consisten en algunas oscilaciones que duran unos diez femtosegundos solamente, podemos realizar la localización de Wannier-Stark durante un corto período de tiempo, ", dice Alfred Leitenstorfer." Nuestras lecturas coinciden con las consideraciones teóricas y las simulaciones realizadas tanto por mi propio equipo de investigación como por el de mi colega, Profesor Wolf Gero Schmidt, ", agrega Torsten Meier. Los investigadores están planeando estudiar el estado extremo de la localización de Wannier-Stark en la escala atómica con más detalle en el futuro y tienen la intención de hacer que sus características particulares sean utilizables".