Un equipo de científicos ha desarrollado un método que aprovecha la estructura de la luz para torcer y modificar las propiedades de los materiales cuánticos. Sus resultados, publicados hoy en Nature , allana el camino para avances en la electrónica cuántica, la computación cuántica y la tecnología de la información de próxima generación.
El equipo, dirigido por investigadores del Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC del Departamento de Energía y la Universidad de Stanford, aplicó este método a un material conocido como nitruro de boro hexagonal (hBN), una sola capa de átomos dispuestos en forma de panal con propiedades que lo hacen único. Adecuado para manipulación cuántica. En sus experimentos, los científicos utilizaron un tipo especial de luz, cuyo campo eléctrico parece un trébol, para cambiar y controlar el comportamiento del material a nivel cuántico en una escala de tiempo ultrarrápida.
La forma en que se retuerce la onda de luz también permite a los investigadores controlar con precisión las propiedades cuánticas del material, reglas que determinan el comportamiento de los electrones, que son esenciales para la electricidad y el flujo de datos. Esta capacidad de controlar las propiedades cuánticas bajo demanda podría allanar el camino para la creación de interruptores cuánticos ultrarrápidos para tecnologías futuras.
"Nuestro trabajo es similar a encontrar una nueva forma de susurrarle al mundo cuántico y lograr que nos revele sus secretos", dijo Shubhadeep Biswas, científico de SLAC y la Universidad de Stanford que dirigió la investigación.
Las técnicas tradicionales a menudo requieren que la luz tenga la energía adecuada para trabajar con un material, una limitación que este nuevo enfoque evita hábilmente. Al utilizar un tipo especial de luz y adaptar su patrón para que coincida con el patrón del material, los científicos pueden lograr que el material adopte nuevas configuraciones sin verse limitados por sus propiedades naturales.
"Esta luz estructurada no sólo ilumina el material; gira a su alrededor, alterando sus propiedades cuánticas según demanda de una manera que podemos controlar", dijo Biswas.
Esta flexibilidad podría permitir que el método funcione para una amplia gama de aplicaciones, facilitando el desarrollo de nuevas tecnologías. En esencia, el equipo creó condiciones en las que los electrones se mueven de formas nuevas y controlables. Esto podría conducir, por ejemplo, al desarrollo de conmutadores súper rápidos para computadoras cuánticas, que podrían superar drásticamente a las computadoras que utilizamos hoy en día.
Más allá de los resultados inmediatos, esta investigación es prometedora para futuras aplicaciones en el ámbito de la "valleytrónica", un campo que aprovecha las propiedades cuánticas de los electrones que residen en diferentes valles de energía de un material para el procesamiento de información. A diferencia de los enfoques tradicionales que requieren luz adaptada a esos valles de energía, el nuevo método es más adaptable y ofrece una nueva dirección para el desarrollo de dispositivos cuánticos.
La capacidad de los investigadores para manipular los valles cuánticos en hBN podría conducir a nuevos dispositivos, como interruptores cuánticos ultrarrápidos, que operen no solo en el binario de 0 y 1, sino en el panorama más complejo de la información cuántica. Esto permitirá formas más rápidas y eficientes de procesar y almacenar información.
"No se trata sólo de encender y apagar un interruptor", dijo el colaborador Matthias F. Kling, director de la división de I+D de LCLS. "Se trata de crear un interruptor que pueda existir en múltiples estados a la vez, aumentando enormemente la potencia y el potencial de nuestros dispositivos. Abre una forma completamente nueva de diseñar las propiedades de los materiales a nivel cuántico. Las aplicaciones potenciales son enormes y varían desde la computación cuántica hasta nuevas formas de procesamiento de información cuántica."
La investigación también arroja luz sobre las formas fundamentales en que los científicos pueden interactuar y controlar el mundo cuántico. Para los científicos involucrados, este viaje al reino cuántico no se trata solo de la emoción del descubrimiento sino de ampliar los límites de lo posible.
"Uno de los aspectos más interesantes es el gran potencial de nuestros hallazgos", dijo Biswas. "Estamos en la cúspide de una nueva era en tecnología y recién estamos comenzando a explorar lo que es posible cuando aprovechamos el poder de los materiales cuánticos".
El equipo también incluyó investigadores del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica, Garching; Ludwig-Maximilians-Universitat Munich en Alemania; y el Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid en España.
Más información: Sambit Mitra et al, modelo Haldane controlado por ondas de luz en nitruro de boro hexagonal monocapa, Naturaleza (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07244-z
Información de la revista: Naturaleza
Proporcionado por el Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC
