Ciertos materiales tienen propiedades deseables que están ocultas y, así como se usaría una linterna para ver en la oscuridad, los científicos pueden usar la luz para descubrir estas propiedades.
Investigadores de la Universidad de California en San Diego han utilizado una técnica óptica avanzada para aprender más sobre un material cuántico llamado Ta2 NiSe5 (TNS). Su trabajo aparece en Nature Materials .
Los materiales pueden verse perturbados por diferentes estímulos externos, a menudo con cambios de temperatura o presión; sin embargo, debido a que la luz es el objeto más rápido del universo, los materiales responderán muy rápidamente a los estímulos ópticos, revelando propiedades que de otro modo permanecerían ocultas.
"En esencia, apuntamos un láser sobre un material y es como una fotografía de cuadro de diálogo donde podemos seguir incrementalmente una determinada propiedad de ese material", dijo el profesor de Física Richard Averitt, quien dirigió la investigación y es uno de los autores del artículo. "Al observar cómo se mueven las partículas constituyentes en ese sistema, podemos descubrir estas propiedades que de otra manera serían realmente difíciles de encontrar".
El experimento fue realizado por el autor principal, Sheikh Rubaiat Ul Haque, quien se graduó en UC San Diego en 2023 y ahora es investigador postdoctoral en la Universidad de Stanford. Él, junto con Yuan Zhang, otro estudiante graduado en el laboratorio de Averitt, mejoró una técnica llamada espectroscopia en el dominio del tiempo de terahercios. Esta técnica permite a los científicos medir las propiedades de un material en un rango de frecuencias, y las mejoras de Haque les permitieron acceder a un rango más amplio de frecuencias.
El trabajo se basó en una teoría creada por otro de los autores del artículo, Eugene Demler, profesor de la ETH Zürich. Demler y su estudiante de posgrado Marios Michael desarrollaron la idea de que cuando ciertos materiales cuánticos son excitados por la luz, pueden convertirse en un medio que amplifica la luz de frecuencia de terahercios. Esto llevó a Haque y sus colegas a examinar de cerca las propiedades ópticas del TNS.
Cuando un fotón excita un electrón a un nivel superior, deja un agujero. Si el electrón y el hueco están unidos, se crea un excitón. Los excitones también pueden formar un condensado, un estado que ocurre cuando las partículas se juntan y se comportan como una sola entidad.
Utilizando la técnica de Haque, respaldada por la teoría de Demler y utilizando cálculos funcionales de densidad realizados por el grupo de Ángel Rubio en el Instituto Max Planck para la Estructura y Dinámica de la Materia, el equipo pudo observar una amplificación anómala de la luz de terahercios, que descubrió algunas de las propiedades ocultas de la Condensado de excitones TNS.
Los condensados son un estado cuántico bien definido y el uso de esta técnica espectroscópica podría permitir que algunas de sus propiedades cuánticas queden impresas en la luz. Esto puede tener implicaciones en el campo emergente de fuentes de luz entrelazadas (donde múltiples fuentes de luz tienen propiedades interconectadas) que utilizan materiales cuánticos.
"Creo que es un área muy abierta", afirmó Haque. "La teoría de Demler se puede aplicar a una serie de otros materiales con propiedades ópticas no lineales. Con esta técnica, podemos descubrir nuevos fenómenos inducidos por la luz que no se han explorado antes".
Más información: Sheikh Rubaiat Ul Haque et al, Amplificación paramétrica de terahercios como reportero de la dinámica del condensado de excitones, Nature Materials (2024). DOI:10.1038/s41563-023-01755-2
Información de la revista: Materiales naturales
Proporcionado por la Universidad de California - San Diego
