Las tecnologías futuras basadas en los principios de la mecánica cuántica podrían revolucionar la tecnología de la información. Pero para darse cuenta de los dispositivos del mañana, Los físicos de hoy deben desarrollar plataformas precisas y confiables para atrapar y manipular partículas de mecánica cuántica.

En un artículo publicado el 25 de febrero en la revista Naturaleza , un equipo de físicos de la Universidad de Washington, la Universidad de Hong Kong, el Laboratorio Nacional de Oak Ridge y la Universidad de Tennessee, informan que han desarrollado un nuevo sistema para atrapar excitones individuales. Estos son pares de electrones ligados y sus cargas positivas asociadas, conocido como agujeros, que se puede producir cuando los semiconductores absorben la luz. Los excitones son candidatos prometedores para desarrollar nuevas tecnologías cuánticas que podrían revolucionar los campos de la computación y las comunicaciones.

El equipo, dirigido por Xiaodong Xu, el profesor distinguido Boeing de la UW de física y ciencia e ingeniería de materiales, trabajó con dos semiconductores 2-D de una sola capa, diselenuro de molibdeno y diselenuro de tungsteno, que tienen arreglos similares en forma de panal de átomos en un solo plano. Cuando los investigadores colocaron estos materiales 2-D juntos, un pequeño giro entre las dos capas creó una estructura de "superrejilla" conocida como patrón muaré, un patrón geométrico periódico cuando se ve desde arriba. Los investigadores encontraron que, a temperaturas de unos pocos grados por encima del cero absoluto, este patrón de muaré creó un paisaje texturizado a nivel de nanoescala, similar a los hoyuelos en la superficie de una pelota de golf, que puede atrapar excitones en su lugar como huevos en un cartón de huevos. Su sistema podría formar la base de una nueva plataforma experimental para monitorear excitones con precisión y potencialmente desarrollar nuevas tecnologías cuánticas. dijo Xu, quien también es investigador de la facultad del Instituto de Energía Limpia de la Universidad de Washington.

Los excitones son candidatos interesantes para las tecnologías informáticas y de la comunicación porque interactúan con los fotones:paquetes individuales, o cuantos, de luz, de formas que cambian tanto las propiedades de los excitones como las de los fotones. Se puede producir un excitón cuando un semiconductor absorbe un fotón. El excitón también puede volver a transformarse más tarde en un fotón. Pero cuando se produce por primera vez un excitón, puede heredar algunas propiedades específicas del fotón individual, como girar. Estas propiedades pueden luego ser manipuladas por investigadores, como cambiar la dirección de giro con un campo magnético. Cuando el excitón vuelve a convertirse en fotón, el fotón retiene información sobre cómo cambiaron las propiedades del excitón durante su corta vida, por lo general, unos cien nanosegundos para estos excitones, en el semiconductor.

Para utilizar las propiedades de "registro de información" de los excitones individuales en cualquier aplicación tecnológica, los investigadores necesitan un sistema para atrapar excitones individuales. El patrón de muaré cumple este requisito. Sin ello, los diminutos excitones, que se cree que tienen menos de 2 nanómetros de diámetro, podría difundirse en cualquier parte de la muestra, lo que imposibilita el seguimiento de excitones individuales y la información que poseen. Si bien los científicos habían desarrollado previamente enfoques complejos y sensibles para atrapar varios excitones uno cerca del otro, el patrón de muaré desarrollado por el equipo dirigido por la Universidad de Washington es esencialmente una matriz 2-D formada naturalmente que puede atrapar cientos de excitones, si no más, con cada uno actuando como un punto cuántico, una primicia en física cuántica.

Una característica única e innovadora de este sistema es que las propiedades de estas trampas, y así los excitones, se puede controlar con un giro. Cuando los investigadores cambiaron el ángulo de rotación entre los dos semiconductores 2-D diferentes, observaron diferentes propiedades ópticas en los excitones. Por ejemplo, excitones en muestras con ángulos de torsión de cero y 60 grados que muestran momentos magnéticos sorprendentemente diferentes, así como diferentes helicidades de emisión de luz polarizada. Después de examinar varias muestras, los investigadores pudieron identificar estas variaciones del ángulo de torsión como "huellas digitales" de excitones atrapados en un patrón muaré.

En el futuro, los investigadores esperan estudiar sistemáticamente los efectos de las pequeñas variaciones del ángulo de giro, que puede ajustar con precisión el espacio entre las trampas de excitones, los hoyuelos del cartón de huevos. Los científicos podrían establecer la longitud de onda del patrón muaré lo suficientemente grande como para sondear los excitones de forma aislada o lo suficientemente pequeña como para que los excitones se coloquen juntos y puedan "hablar" entre sí. Este nivel de precisión, el primero en su tipo, puede permitir a los científicos probar las propiedades mecánicas cuánticas de los excitones a medida que interactúan. que podría fomentar el desarrollo de tecnologías innovadoras, dijo Xu.

"En principio, estos potenciales muaré podrían funcionar como matrices de puntos cuánticos homogéneos, ", dijo Xu." Esta plataforma cuántica artificial es un sistema muy emocionante para ejercer un control de precisión sobre los excitones, con efectos de interacción diseñados y posibles propiedades topológicas, lo que podría conducir a nuevos tipos de dispositivos basados ​​en la nueva física ".

"El futuro es muy prometedor, "Agregó Xu.