El sentido común puede dictar que para que un objeto se mueva de un punto a otro, debe pasar por todos los puntos del camino.

"Imagínese a alguien conduciendo de Kansas City a Topeka por la I-70; es seguro decir que debe estar en Lawrence en algún momento del viaje, "dijo Hui Zhao, profesor asociado de física y astronomía en la Universidad de Kansas. "O en baloncesto, cuando Josh Jackson de KU recibe un pase alley-oop de Frank Mason III y clava la pelota desde arriba hacia abajo del aro, la pelota debe estar en el aro en algún momento ".

No es así para los electrones en el mundo cuántico, que no siguen esas reglas de sentido común en su mayor parte.

"Los electrones pueden aparecer en el primer piso, luego el tercer piso, sin haber estado nunca en el segundo piso, "Dijo Zhao.

Zhao, junto con el estudiante graduado de física de KU Frank Ceballos y el becario de posgrado Samuel Lane, acaba de observar el movimiento contrario a la intuición de los electrones durante experimentos en el Laboratorio de láser ultrarrápido de KU.

"En una muestra de tres capas atómicas, los electrones en la capa superior se mueven a la capa inferior, sin ser visto nunca en la capa intermedia, "dijo el investigador de KU.

Debido a que este tipo de transporte "cuántico" es muy eficiente, Zhao dijo que puede desempeñar un papel clave en un nuevo tipo de material artificial llamado "materiales de van der Waals" que algún día podrían usarse en células solares y electrónica.

Sus hallazgos se acaban de publicar en Nano letras , una revista de primer nivel sobre nanociencia y nanotecnología.

El equipo de investigación de KU fabricó la muestra mediante el método de "cinta adhesiva", donde las capas de una sola molécula se levantan de un cristal con cinta, luego verificado bajo un microscopio óptico. La muestra contiene capas de MoS2, WS2 y MoSe ₂ —Cada capa más fina que un nanómetro. Los tres son materiales semiconductores y responden a la luz con diferentes colores. Basado en eso, Los investigadores de KU utilizaron un pulso láser de 100 femtosegundos de duración para liberar algunos de los electrones en la capa superior de MoSe2 para que pudieran moverse libremente.

"El color del pulso láser se eligió de modo que solo se puedan liberar los electrones de la capa superior, ", Dijo Zhao." Luego usamos otro pulso láser con el color 'correcto' para la capa inferior de MoS2 para detectar la aparición de estos electrones en esa capa. El segundo pulso se dispuso a propósito para llegar a la muestra después del primer pulso en aproximadamente 1 picosegundo, dejándolo recorrer una distancia 0,3 mm más larga que la primera ".

El equipo descubrió que los electrones se mueven de la capa superior a la inferior en aproximadamente un picosegundo en promedio.

"Si los electrones fueran cosas que siguieran al 'sentido común, 'como las llamadas partículas clásicas, estarían en la capa media en algún momento durante este picosegundo, "Dijo Zhao.

Los investigadores usaron un tercer pulso con otro color para monitorear la capa media y no encontraron electrones. El descubrimiento experimental del transporte contradictorio de electrones en la pila de capas atómicas fue confirmado por simulaciones realizadas por los teóricos Ming-Gang Ju y Xiao Cheng Zeng en la Universidad de Nebraska-Lincoln. quien fue coautor del artículo. Según Zhao, la verificación del transporte cuántico de electrones entre capas atómicas conectadas por la fuerza de van der Waals es una noticia alentadora para los investigadores que desarrollan nuevos materiales.

"La edad de piedra, Edad del Bronce y Edad del Hierro:los materiales han sido el elemento definitorio de la historia humana, ", dijo." La era de la tecnología de la información moderna se basa en gran medida en el silicio, que es el resultado de muchas décadas de investigación de materiales enfocada en encontrar nuevos materiales y desarrollar mejores técnicas para fabricarlos con alta calidad y bajo costo ".

Zhao dijo que en las últimas décadas los investigadores han aprendido a ajustar las propiedades de los materiales cambiando su tamaño y forma en una escala nanométrica. Una nueva forma de nanomateriales, conocidos como materiales bidimensionales, fue descubierto hace aproximadamente una década. "Están formados por capas simples de átomos o moléculas, ", dijo." El ejemplo más conocido es el grafeno, una sola capa de átomos de carbono. Hasta aquí, se han descubierto alrededor de 100 tipos de materiales bidimensionales, como los tres utilizados en este estudio. Debido a que estas capas atómicas se pueden apilar utilizando la fuerza de van der Waals, abrieron una ruta completamente nueva para hacer nuevos materiales funcionales ".

El investigador dijo que el trabajo de su equipo se centró en un requisito clave para que dichos materiales sean ideales para aplicaciones electrónicas y ópticas:los electrones deben poder moverse entre estas capas atómicas de manera eficiente.

"Este estudio mostró que los electrones pueden transferirse entre estas capas de forma cuántica, al igual que en otros conductores y semiconductores, " él dijo.