Los conocimientos de la física cuántica han permitido a los ingenieros incorporar componentes utilizados en placas de circuitos, fibras ópticas, y sistemas de control en nuevas aplicaciones que van desde teléfonos inteligentes hasta microprocesadores avanzados. Pero, incluso con importantes avances logrados en los últimos años, los investigadores todavía están buscando nuevas y mejores formas de controlar las propiedades electrónicas excepcionalmente poderosas de los materiales cuánticos.

Un nuevo estudio de investigadores de Penn encontró que los semimetales de Weyl, una clase de materiales cuánticos, tienen estados cuánticos masivos cuyas propiedades eléctricas se pueden controlar con luz. El proyecto fue dirigido por Ritesh Agarwal y el estudiante graduado Zhurun ​​Ji en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas en colaboración con Charles Kane. Eugene Mele, y Andrew M. Rappe en la Facultad de Artes y Ciencias, junto con Zheng Liu de la Universidad Tecnológica de Nanyang. Zachariah Addison de Penn, Gerui Liu, Wenjing Liu, y Heng Gao, y Peng Yu de Nanyang, también contribuyó al trabajo. Sus hallazgos fueron publicados en Materiales de la naturaleza .

Un indicio de estas propiedades fotogalvánicas poco convencionales, o la capacidad de generar corriente eléctrica utilizando luz, fue reportado por primera vez por Agarwal en silicio. Su grupo pudo controlar el movimiento de la corriente eléctrica cambiando la quiralidad, o la simetría inherente de la disposición de los átomos de silicio, en la superficie del material.

"En ese tiempo, también estábamos tratando de comprender las propiedades de los aislantes topológicos, pero no pudimos probar que lo que estábamos viendo provenía de esos estados superficiales únicos, "Agarwal explica.

Luego, mientras se realizan nuevos experimentos con semimetales de Weyl, donde los estados cuánticos únicos existen en la mayor parte del material, Agarwal y Ji obtuvieron resultados que no coincidían con ninguna teoría que pudiera explicar cómo se movía el campo eléctrico cuando era activado por la luz. En lugar de que la corriente eléctrica fluya en una sola dirección, la corriente se movía alrededor del semimetal en un patrón circular arremolinado.

Agarwal y Ji se dirigieron a Kane y Mele para que los ayudaran a desarrollar un nuevo marco teórico que pudiera explicar lo que estaban viendo. Después de realizar nuevas, experimentos extremadamente minuciosos para eliminar iterativamente todas las demás explicaciones posibles, los físicos pudieron reducir las posibles explicaciones a una sola teoría relacionada con la estructura del haz de luz.

"Cuando iluminas la materia, es natural pensar en un haz de luz como lateralmente uniforme, "dice Mele." Lo que hizo que estos experimentos funcionaran es que el haz tiene un límite, y lo que hizo circular la corriente tuvo que ver con su comportamiento en el borde de la viga ".

Usando este nuevo marco teórico, e incorporando los conocimientos de Rappe sobre los niveles de energía de los electrones dentro del material, Ji pudo confirmar los movimientos circulares únicos de la corriente eléctrica. Los científicos también encontraron que la dirección de la corriente podría controlarse cambiando la estructura del haz de luz, como cambiar la dirección de su polarización o la frecuencia de los fotones.

"Previamente, cuando la gente hacía mediciones optoelectrónicas, siempre asumen que la luz es una onda plana. Pero rompimos esa limitación y demostramos que no solo la polarización de la luz sino también la dispersión espacial de la luz pueden afectar el proceso de interacción luz-materia. "dice Ji.

Este trabajo permite a los investigadores no solo observar mejor los fenómenos cuánticos, pero proporciona una forma de diseñar y controlar propiedades cuánticas únicas simplemente cambiando los patrones del haz de luz. "La idea de que la modulación de la polarización y la intensidad de la luz puede cambiar la forma en que se transporta una carga eléctrica podría ser una idea de diseño poderosa, "dice Mele.

El desarrollo futuro de materiales "fotónicos" y "espintrónicos" que transfieren información digitalizada basada en el espín de fotones o electrones, respectivamente, también es posible gracias a estos resultados. Agarwal espera ampliar este trabajo para incluir otros patrones de haz óptico, como "luz retorcida, "que podría usarse para crear nuevos materiales de computación cuántica que permitan codificar más información en un solo fotón de luz.

"Con la computación cuántica, todas las plataformas se basan en la luz, por lo que es el fotón el que es portador de información cuántica. Si podemos configurar nuestros detectores en un chip, todo se puede integrar, y podemos leer el estado del fotón directamente, "Dice Agarwal.

Agarwal y Mele enfatizan el esfuerzo "heroico" realizado por Ji, incluidas las mediciones de un año adicional realizadas mientras se ejecutaba un conjunto completamente nuevo de experimentos que fueron cruciales para la interpretación del estudio. "Rara vez he visto a una estudiante de posgrado enfrentada a ese desafío que fuera capaz no solo de superarlo, sino de dominarlo. Tenía la iniciativa de hacer algo nuevo, y ella lo hizo, "dice Mele.