Mapear las estructuras cuánticas con luz para desbloquear sus capacidades

Una nueva herramienta que utiliza la luz para trazar un mapa de las estructuras electrónicas de los cristales podría revelar las capacidades de los materiales cuánticos emergentes y allanar el camino para las tecnologías energéticas avanzadas y las computadoras cuánticas, según los investigadores de la Universidad de Michigan, la Universidad de Ratisbona y la Universidad de Marburgo. Un artículo sobre el trabajo se publica en Science.

Las aplicaciones incluyen luces LED, células solares y fotosíntesis artificial. "Los materiales cuánticos podrían tener un impacto mucho más allá de la computación cuántica", dijo Mackillo Kira, profesor de ingeniería eléctrica y ciencias de la computación en la Universidad de Michigan, quien dirigió la parte teórica del nuevo estudio. "Si se optimizan bien las propiedades cuánticas, se puede obtener un 100% de eficiencia en la absorción de la luz".

Las células solares de silicio ya se están convirtiendo en la forma más barata de electricidad, aunque su eficiencia de conversión de luz solar en electricidad es bastante baja, alrededor del 30%. Los semiconductores "2D" emergentes, que consisten en una sola capa de cristal, podrían hacerlo mucho mejor, usando potencialmente hasta el 100% de la luz solar. También podrían elevar la computación cuántica a la temperatura ambiente desde las máquinas de casi cero absoluto demostradas hasta ahora.

"Los nuevos materiales cuánticos se están descubriendo ahora a un ritmo más rápido que nunca", dijo Rupert Huber, un profesor de física de la Universidad de Ratisbona en Alemania, que dirigió el trabajo experimental. "Simplemente apilando tales capas una sobre otra bajo ángulos de giro variables, y con una amplia selección de materiales, los científicos pueden ahora crear sólidos artificiales con propiedades verdaderamente sin precedentes".

La capacidad de mapear estas propiedades hasta los átomos podría ayudar a agilizar el proceso de diseño de materiales con las estructuras cuánticas adecuadas. Pero estos materiales ultrafinos son mucho más pequeños y desordenados que los cristales anteriores, y los antiguos métodos de análisis no funcionan. Ahora, los materiales 2D pueden ser medidos con el nuevo método basado en el láser a temperatura y presión ambiente.

Las operaciones medibles incluyen procesos que son claves para las células solares, los láseres y la computación cuántica dirigida ópticamente. Esencialmente, los electrones saltan entre un "estado de tierra", en el que no pueden viajar, y estados en la "banda de conducción" del semiconductor, en el que son libres de moverse a través del espacio. Lo hacen absorbiendo y emitiendo luz.

El método de mapeo cuántico utiliza un pulso de 100 femtosegundos (100 cuatrillonésimas de segundo) de luz láser roja para hacer saltar a los electrones del estado de tierra y entrar en la banda de conducción. A continuación, los electrones son golpeados con un segundo pulso de luz infrarroja. Esto los empuja para que oscilen arriba y abajo en un "valle" de energía en la banda de conducción, un poco como los patinadores en un medio tubo.

El equipo utiliza la naturaleza dual de onda/partícula de los electrones para crear un patrón de onda estacionaria que parece un peine. Descubrieron que cuando el pico de este peine de electrones se superpone con la estructura de la banda del material - su estructura cuántica - los electrones emiten luz intensamente. Esa poderosa emisión de luz junto con el estrecho ancho de las líneas del peine, ayudó a crear una imagen tan nítida que los investigadores la llaman superresolución.

Combinando esa precisa información de localización con la frecuencia de la luz, el equipo fue capaz de trazar la estructura de la banda del diselenido de tungsteno semiconductor en 2D. No sólo eso, sino que también pudieron obtener una lectura del momento angular orbital de cada electrón a través de la forma en que el frente de la onda de luz se retorció en el espacio. La manipulación del momento angular orbital de un electrón, conocido también como pseudoesquina, es una vía prometedora para almacenar y procesar información cuántica.

En el diseleniuro de tungsteno, el momento angular orbital identifica cuál de los dos "valles" diferentes ocupa un electrón. Los mensajes que envían los electrones pueden mostrar a los investigadores no sólo en qué valle se encontraba el electrón, sino también cómo es el paisaje de ese valle y a qué distancia están los valles, que son los elementos clave necesarios para diseñar nuevos dispositivos cuánticos basados en semiconductores.

Por ejemplo, cuando el equipo usó el láser para empujar los electrones por el lado de un valle hasta que cayeron en el otro, los electrones emitieron luz en ese punto de caída también. Esa luz da pistas sobre las profundidades de los valles y la altura de la cresta entre ellos. Con este tipo de información, los investigadores pueden averiguar cómo funcionaría el material para una variedad de propósitos.