Los electrones en un sólido pueden unirse para formar las llamadas cuasipartículas, que conducen a nuevos fenómenos. Los físicos de ETH en Zurich ahora han estudiado cuasipartículas no identificadas previamente en una nueva clase de semiconductores atómicamente delgados. Los investigadores utilizan sus resultados para corregir una mala interpretación prevaleciente.

Si uno trata de comprender los fenómenos meteorológicos, no es de mucha utilidad observar el comportamiento de una sola gota de agua o moléculas de aire. En lugar de, los meteorólogos (y también los profanos) hablan de nubes, vientos y precipitación:objetos que resultan de la compleja interacción entre pequeñas partículas. Los físicos que se ocupan de las propiedades ópticas o la conductividad de los sólidos utilizan prácticamente el mismo enfoque. De nuevo, partículas diminutas, electrones y átomos, son responsables de una multitud de fenómenos, pero un cuadro esclarecedor sólo surge cuando muchos de ellos se agrupan en "cuasipartículas".

Sin embargo, descubrir con precisión qué cuasipartículas surgen dentro de un material y cómo se influyen entre sí no es una tarea sencilla, pero más parecido a un gran rompecabezas cuyas piezas encajan, poco a poco, a través de una ardua investigación. En una combinación de estudios experimentales y teóricos, Ataç Imamoglu y sus colaboradores en el Instituto de Electrónica Cuántica de la ETH en Zúrich ahora han logrado encontrar una nueva pieza del rompecabezas, lo que también ayuda a colocar una pieza previamente extraviada en su posición correcta.

Excitones y polarones

En sólidos se pueden crear cuasipartículas, por ejemplo, cuando se absorbe un fotón. La energía de movimiento de los electrones que abundan en un sólido solo puede tomar valores dentro de rangos bien definidos conocidos como bandas. Un fotón puede promover un electrón de una banda de energía baja a una alta, dejando así un "agujero" en la banda inferior.

El electrón excitado y el agujero resultante se atraen entre sí a través de la fuerza electrostática de Coulomb, y si esa atracción es lo suficientemente fuerte, el par electrón-hueco puede verse como una cuasipartícula:nace un "excitón". Dos electrones y un agujero pueden unirse para formar un trión. Sin embargo, cuando los excitones y una gran cantidad de electrones libres están presentes simultáneamente, la descripción de las propiedades cualitativamente nuevas o "emergentes" del material requiere la introducción de un nuevo tipo de cuasipartículas llamadas polarones de Fermi.

Cuasipartículas en un semiconductor

Imamoglu y sus colegas querían descubrir la naturaleza de las cuasipartículas que aparecen en cierto tipo de semiconductores en los que los electrones solo pueden moverse en dos dimensiones. Para hacerlo tomaron una sola capa de diselenuro de molibdeno que es mil veces más delgada que un micrómetro y la intercalaron entre dos discos de nitruro de boro. Luego agregaron una capa de grafeno para aplicar un voltaje eléctrico con el que se podría controlar la densidad de electrones en el material. Finalmente, todo se colocó entre dos espejos que formaban una cavidad óptica.

Con esta compleja configuración experimental, los físicos de Zúrich ahora podrían estudiar en detalle la intensidad con la que el material absorbe la luz en diferentes condiciones. Descubrieron que cuando la estructura del semiconductor está ópticamente excitada, Se forman fermi-polarones, y no, como se pensaba anteriormente, excitones o triones. "Hasta aquí, investigadores, incluido yo mismo, hemos malinterpretado los datos disponibles en ese momento a ese respecto ", admite Imamoglu. "Con nuestros nuevos experimentos, ahora podemos rectificar esa imagen".

Esfuerzo de equipo con un científico invitado

"Este fue un esfuerzo de equipo con contribuciones esenciales del profesor de Harvard Eugene Demler, que colaboró ​​con nosotros durante varios meses cuando era becario de ITS ", dice Meinrad Sidler, estudiante de doctorado en el grupo Imamoglus. Desde 2013 el Instituto de Estudios Teóricos (ITS) de la ETH se ha esforzado por fomentar la investigación interdisciplinaria en la intersección entre las matemáticas, física teórica e informática. En particular, quiere facilitar la investigación impulsada por la curiosidad con el objetivo de encontrar las mejores ideas en lugares inesperados.

El estudio de Imamoglu y sus colegas, ahora publicado en Física de la naturaleza , es un buen ejemplo de cómo este principio puede tener éxito. En su propia investigación, Eugene Demler se ocupa de los átomos ultrafríos, estudiar cómo se comportan las mezclas de átomos bosónicos y fermiónicos. "Su conocimiento de los polarones en los gases y sólidos atómicos le ha dado a nuestra investigación importantes e interesantes impulsos, que puede que no hayamos creado por nuestra cuenta ", dice Imamoglu.

Superconductividad inducida por la luz

Los conocimientos que han recopilado probablemente mantendrán ocupados a Imamoglu y a sus colaboradores durante algún tiempo. dado que las interacciones entre partículas bosónicas (como los excitones) y fermiónicas (electrones) son el tema de un gran proyecto de investigación por el que Imamoglu ganó una subvención avanzada del Consejo Europeo de Investigación (ERC) el año pasado, y también cuenta con el apoyo del Centro Nacional de Competencia en Investigación de Ciencia y Tecnología Cuánticas (NCCR QSIT). Una mejor comprensión de tales mezclas tendría importantes implicaciones para la investigación básica, pero también atraen aplicaciones interesantes. Por ejemplo, Un objetivo clave del proyecto ERC es la demostración del control de la superconductividad mediante láseres.