A temperaturas extremadamente bajas, la materia a menudo se comporta de manera diferente que en condiciones normales. A temperaturas de solo unos pocos grados por encima del cero absoluto (-273 grados Celsius), las partículas físicas pueden renunciar a su independencia y fusionarse por un corto tiempo en un solo objeto en el que todas las partículas comparten las mismas propiedades. Tales estructuras se conocen como condensados ​​de Bose-Einstein, y representan un estado agregado especial de la materia.

Un equipo internacional de investigadores dirigido por los físicos Dr. Carlos Anton-Solanas y el profesor Christian Schneider de la Universidad de Oldenburg ha logrado por primera vez generar este estado cuántico inusual en complejos portadores de carga que están estrechamente relacionados con partículas de luz y ubicados en láminas semiconductoras ultrafinas que constan de una sola capa de átomos. Como informa el equipo en la revista científica Materiales de la naturaleza , este proceso produce una luz similar a la generada por un láser. Esto significa que el fenómeno podría utilizarse para crear los láseres de estado sólido más pequeños posibles.

El trabajo es el resultado de una colaboración entre los investigadores de Oldenburg y los grupos de investigación del profesor Sven Höfling y el profesor Sebastian Klembt de la Universidad de Würzburg (Alemania), Profesor Sefaattin Tongay de la Universidad Estatal de Arizona (EE. UU.), Profesor Alexey Kavokin de la Universidad de Westlake (China), y el profesor Takashi Taniguchi y el profesor Kenji Watanabe del Instituto Nacional de Ciencia de Materiales en Tsukuba (Japón).

El estudio se centra en las cuasi partículas que constan tanto de materia como de luz, conocidos como excitones-polaritones — el producto de acoplamientos fuertes entre electrones excitados en sólidos y partículas ligeras (fotones). Se forman cuando los electrones son estimulados por luz láser a un estado de mayor energía. Después de un breve período de tiempo del orden de una billonésima de segundo, los electrones regresan a su estado fundamental reemitiendo partículas de luz.

Cuando estas partículas quedan atrapadas entre dos espejos, a su vez, pueden excitar nuevos electrones, un ciclo que se repite hasta que la partícula de luz escapa de la trampa. Las partículas híbridas de materia ligera que se crean en este proceso se denominan excitones-polaritones. Combinan propiedades interesantes de electrones y fotones y se comportan de manera similar a ciertas partículas físicas llamadas bosones. "Los dispositivos que pueden controlar estos nuevos estados de materia ligera prometen un salto tecnológico en comparación con los circuitos electrónicos actuales, "dijo el autor principal Anton-Solanas, investigador postdoctoral en el Grupo de Materiales Cuánticos del Instituto de Física de la Universidad de Oldenburg. Tales circuitos optoelectrónicos, que funcionan con luz en lugar de corriente eléctrica, podría ser mejor y más rápido en el procesamiento de información que los procesadores actuales.

En el nuevo estudio, el equipo dirigido por Anton-Solanas y Schneider examinó los excitones-polaritones en cristales ultrafinos que constan de una sola capa de átomos. Estos cristales bidimensionales a menudo tienen propiedades físicas inusuales. Por ejemplo, el material semiconductor utilizado aquí, diselenuro de molibdeno, es muy reactivo a la luz.

Los investigadores construyeron láminas de diselenuro de molibdeno de menos de un nanómetro (una milmillonésima parte de un metro) de espesor y colocaron el cristal bidimensional entre dos capas de otros materiales que reflejan partículas de luz como lo hacen los espejos. "Esta estructura actúa como una jaula para la luz, "Explicó Anton-Solanas. Los físicos lo llaman una" microcavidad ".

Anton-Solanas y sus colegas enfriaron su configuración a unos pocos grados por encima del cero absoluto y estimularon la formación de excitones-polaritones utilizando pulsos cortos de luz láser. Por encima de cierta intensidad, observaron un aumento repentino en las emisiones de luz de su muestra. Esta, junto con otras pruebas, les permitió concluir que habían logrado crear un condensado de Bose-Einstein a partir de excitones-polaritones.

"En teoria, este fenómeno podría usarse para construir fuentes de luz coherentes basadas en una sola capa de átomos, ", dijo Anton-Solanas." Esto significaría que habíamos creado el láser de estado sólido más pequeño posible ". Los investigadores confían en que con otros materiales el efecto también podría producirse a temperatura ambiente, por lo que a largo plazo también sería adecuado para aplicaciones prácticas. Los primeros experimentos del equipo en esta dirección ya han tenido éxito.