Una colaboración internacional que involucra a europeos, Israelí, y los científicos estadounidenses se dan cuenta por primera vez de interacciones fuertes y direccionalmente dependientes en líquidos cuánticos de excitones, que contrasta con la isotropía espacial del acoplamiento entre partículas cargadas. Esta anisotropía espacial afecta la forma en que las partículas se organizan en el espacio y abre rutas a estados exóticos de la materia creados artificialmente. Los resultados fueron publicados en Revisión física X .

"Los pájaros del mismo plumaje vuelan juntos":este viejo proverbio puede aplicarse a varias circunstancias de la vida, pero ciertamente no se aplica a las cargas eléctricas:las cargas de la misma polaridad siempre se repelen entre sí, mientras que solo se atraen cargas de polaridad opuesta. Una consecuencia de la atracción entre cargas diferentes es la formación de excitones (pares de huecos de electrones) en los semiconductores. Estos pares de electrones cargados negativamente y huecos cargados positivamente pueden crearse mediante la absorción de cuantos de luz (fotones). Los excitones son las llamadas cuasi-partículas que resultan de la unión de un electrón y un agujero por la interacción atractiva del culombio electrostático entre ellos. Los excitones son móviles pero no estables, ya que los electrones y los huecos pueden recombinarse rápidamente dando lugar a la emisión de un fotón. Los excitones de larga vida pueden, sin embargo, crearse en bicapas semiconductoras especiales que constan de dos pozos cuánticos estrechamente espaciados separados por una delgada barrera de potencial (ver Figura). Si se aplica un voltaje de polarización a la estructura, los electrones y los huecos que forman el excitón se almacenarán en pozos cuánticos separados:esta separación de carga aumenta significativamente la vida útil de la recombinación. Estos excitones de larga vida adquieren un momento dipolar py, por lo tanto, se conocen como excitones dipolares (o indirectos).

Tanto los excitones como los excitones dipolares son partículas neutras al exterior y surge la pregunta de cómo interactúan los excitones dipolares entre sí. La respuesta se puede encontrar considerándolos dipolos alineados. Contrariamente a la interacción de culombio electrostático entre dos cargas, que solo depende de la distancia entre ellos, la interacción entre dos dipolos depende tanto de la orientación relativa entre sus dipolos como del vector que los conecta. Para dipolos alineados como los excitones dipolares en la figura, la interacción cambia de repulsiva a atractiva a medida que el ángulo entre ellos aumenta de 0 a 90 grados.

Los experimentos con excitones dipolares llevados a cabo hasta ahora utilizaron excitones en una sola bicapa, donde solo se puede probar el componente repulsivo de la interacción dipolar. Ahora, un equipo internacional de investigadores del Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik en Berlín, la Universidad Hebrea de Jerusalén, el Instituto de Ciencia y Tecnología de Austria y la Universidad de Princeton encontraron una manera inteligente de superar los desafíos apilando dos capas dipolares, como se ilustra en la figura:de esta manera, pudieron demostrar por primera vez el atractivo componente dipolo-dipolo del acoplamiento entre las partículas, con resultados sorprendentes. Muestran que la presencia de excitones dipolares en una de las bicapas induce una acumulación de excitones dipolares en la segunda bicapa. Este último prueba que, en condiciones adecuadas, el viejo proverbio también se aplica a los excitones dipolares.

Recientemente, los gases y líquidos cuánticos dipolares atrajeron mucha atención, ya que albergan una plétora de fenómenos exóticos de muchas partículas que se originan en el carácter anisotrópico y de largo alcance de las interacciones dipolo-dipolo. Hasta ahora, las fases dipolares de la materia se han estudiado principalmente en el contexto de gases ultrafríos de moléculas polares y átomos magnéticos:un buen ejemplo es la supersolidez observada recientemente:cristales en los que los átomos fluyen sin fricción. Tales conjuntos de baja densidad, sin embargo, hacer que sea un desafío lograr el régimen de fuertes interacciones entre partículas, donde tiene lugar la mayor parte de la física exótica.

El fuerte y atractivo acoplamiento atractivo entre bicapas, como lo demuestran ahora Hubert et al. hace posible la investigación de estos fenómenos en un sistema de estado sólido de fluidos dipolares. En particular, Puede sondear densidades dipolares y fortalezas de interacción que actualmente no están disponibles en realizaciones atómicas, que se espera que revele nuevos efectos y fases colectivas. Un ejemplo es el arrastre mutuo y las energías de unión más grandes de lo esperado entre las partículas dipolares detectadas en los experimentos de excitones. Este sorprendente efecto se atribuye a la aparición de ondas electroacústicas o polarones en los dos fluidos, mediada por las interacciones dipolo-dipolo remotas. A medida que aumenta la densidad del fluido, la energía del polarón cambia significativamente, posiblemente representando el límite de fase entre los estados gaseoso y líquido. Este sorprendente fenómeno es una buena motivación para futuros experimentos que intenten realizar las exóticas fases de muchos cuerpos con interacciones anisotrópicas de sistemas cuánticos fuertemente correlacionados.