Los investigadores de ETH Zurich lograron por primera vez atrapar excitones, cuasipartículas que consisten en electrones cargados negativamente y agujeros cargados positivamente, en un material semiconductor utilizando campos eléctricos controlables. La nueva técnica es importante para crear fuentes de fotones individuales, así como para la investigación básica.

En los materiales semiconductores, la corriente eléctrica puede ser conducida tanto por electrones como por huecos cargados positivamente o por electrones faltantes. La luz que golpea el material también puede excitar los electrones a una banda de mayor energía, dejando un agujero en la banda original. A través de la atracción electrostática, el electrón y el hueco ahora se combinan para crear el llamado excitón, una cuasipartícula que, en conjunto, se comporta como una partícula neutra. Debido a su neutralidad, hasta ahora ha sido difícil mantener los excitones en un punto específico dentro de un material.

Un equipo de científicos dirigido por Ataç Imamoğlu, profesor del Departamento de Física, Puneet Murthy, postdoctorado en su grupo, y David Norris, profesor del Departamento de Ingeniería Mecánica y de Procesos, logró por primera vez atrapar excitones en un diminuto espacio usando campos eléctricos controlables, y también demostrando la cuantización de su movimiento. Los investigadores esperan que sus resultados, publicados recientemente en la revista científica Nature , conducirá al progreso hacia aplicaciones en tecnologías ópticas, así como a nuevos conocimientos sobre fenómenos físicos fundamentales.

Una interfaz importante

"Los excitones juegan un papel importante en la interfaz entre los semiconductores y la luz", dice Murthy. Se utilizan, por ejemplo, en sensores de luz, células solares o incluso nuevas fuentes de fotones individuales para tecnologías cuánticas. Atraparlos de forma controlada ha sido un objetivo ambicioso de la investigación en física del estado sólido durante muchos años.

Los investigadores de ETH crean sus trampas de excitones intercalando una capa delgada del material semiconductor diseleniuro de molibdeno entre dos aisladores y agregando un electrodo en la parte superior e inferior. En esta configuración, el electrodo superior solo cubre una parte del material. Como resultado, la aplicación de un voltaje crea un campo eléctrico cuya fuerza depende de la posición dentro del material. Esto, a su vez, hace que se acumulen huecos cargados positivamente dentro del semiconductor directamente debajo del electrodo superior, mientras que en otros lugares se acumulan electrones cargados negativamente. En el plano del semiconductor, surge un campo eléctrico entre esas dos zonas.

Movimiento de excitón cuantificado

"Este campo eléctrico, que cambia fuertemente en una distancia corta, puede atrapar muy efectivamente los excitones en el material", explica Deepankur Thureja, Ph.D. estudiante y autor principal del artículo que llevó a cabo los experimentos junto con Murthy. Aunque los excitones son eléctricamente neutros, pueden ser polarizados por campos eléctricos, lo que significa que el electrón y el orificio del excitón se separan un poco más. Esto da como resultado un campo dipolar eléctrico, que interactúa con el campo externo y, por lo tanto, ejerce una fuerza sobre el excitón.

Para demostrar experimentalmente que este principio realmente funciona, los investigadores iluminaron el material con luz láser de diferentes longitudes de onda y midieron la reflexión de la luz en cada caso. Al hacerlo, observaron una serie de resonancias, lo que significa que en ciertas longitudes de onda la luz se reflejaba con más fuerza de lo esperado. Además, las resonancias podrían ajustarse cambiando el voltaje en los electrodos. "Para nosotros, esa fue una señal clara de que los campos eléctricos crearon una trampa para los excitones y que el movimiento de los excitones dentro de esa trampa estaba cuantificado", dice Thureja. Cuantificado aquí significa que los excitones solo pueden adoptar ciertos estados de energía bien definidos, al igual que los electrones dentro de un átomo. A partir de las posiciones de las resonancias, Imamoğlu y sus compañeros de trabajo pudieron deducir que la trampa de excitones creada por los campos eléctricos tenía menos de diez nanómetros de ancho.

Aplicaciones en procesamiento de información cuántica

Tales excitones fuertemente atrapados son extremadamente importantes tanto para aplicaciones prácticas como para preguntas básicas, dice Murthy:"Las trampas de excitones controlables eléctricamente eran un eslabón perdido en la cadena hasta ahora". Por ejemplo, los físicos ahora pueden unir muchos de estos excitones atrapados y ajustarlos de tal manera que emitan fotones que tengan exactamente las mismas propiedades. "Eso permitiría crear fuentes idénticas de fotones individuales para el procesamiento de información cuántica", explica Murthy. E Imamoğlu agrega:"Esas trampas también abren nuevas perspectivas para la investigación básica. Entre otras cosas, nos permitirán estudiar estados de no equilibrio de excitones que interactúan fuertemente". + Explora más

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