11.01.2021 - Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie

Inducir la transparencia pateando los átomos

Todos los dispositivos foto-electrónicos funcionan sobre la base de que los materiales en su interior absorben, transmiten y reflejan la luz. La comprensión de las propiedades fotográficas de un material específico a nivel atómico no sólo ayuda a decidir qué material elegir para una aplicación determinada, sino que también abre vías para controlar dichas propiedades a petición. En un nuevo trabajo de colaboración, investigadores de Italia, Alemania y Estados Unidos muestran cómo 'patear' los átomos en un cristal de CuGeO3 con un pulso de láser infrarrojo puede no sólo hacer que el material sea transparente sino que la transparencia puede ser controlada en una escala ultra-rápida de femtosegundos.

Este resultado prepara el camino para la aplicación posterior del esquema de patadas atómicas para mejorar otros fenómenos como, por ejemplo, la superconductividad. El trabajo se ha publicado ahora en Física de la Naturaleza.

El diseño de materiales complejos con nuevas funcionalidades es a menudo el resultado de la interacción entre diferentes componentes de la materia, como los electrones y las vibraciones de los cristales, los llamados fonones. El acoplamiento entre estos componentes de la materia puede ser de naturaleza incoherente o coherente. Mientras que el primero suele ser el resultado de las fluctuaciones nucleares inducidas por la temperatura, el segundo se logra cuando las vibraciones de los cristales y las excitaciones electrónicas se propagan en la materia con la misma frecuencia y con una diferencia de fase constante.

En este caso, los investigadores utilizan la excitación vibratoria resonante para controlar coherentemente el campo cristalino que rodea a los iones de Cu2+ en un cristal de CuGeO3. Este material es ideal por dos razones principales: los fonones pueden ser pateados selectivamente a través de un bombeo láser en el infrarrojo medio y las tres transiciones electrónicas d-d características a alta energía (alrededor de 1,7eV) están aisladas de otras características espectrales que podrían interferir con el acoplamiento electrón-fonón.

En particular, la excitación resonante de los modos de fonón activo IR, que están acoplados de forma no lineal a los modos de fonón activo Raman, da lugar a un movimiento vibratorio coherente del oxígeno apical que controla dinámicamente la energía y la fuerza de oscilación de la transición orbital entre los diferentes niveles de cristal en los iones Cu2+. Al controlar el parámetro de los esquemas de bombeo de los fonones es posible entonces lograr una transparencia en la ventana de energía de las transiciones electrónicas d-d.

"Es fascinante ver cómo distintas excitaciones de materia que pertenecen a regiones de energía completamente diferentes pueden interactuar coherentemente y afectar las propiedades macroscópicas de un cristal", dice Simone Latini, postdoctora y ex becaria de Humboldt en la MPSD. "Actualmente estamos investigando si un fenómeno similar puede ser observado en otros lugares y tenemos una pista de que podría estar presente en materiales bidimensionales como el WS2".

"Este estudio muestra lo lejos que hemos llegado experimentalmente en términos de control de la materia con pulsos de luz ultra cortos", dice Alexandre Marciniak, el autor de este trabajo junto con Stefano Marcantoni de la Universidad de Trieste. "Es realmente notable cómo podemos desvelar las íntimas relaciones microscópicas entre las excitaciones en un material y cómo esta comprensión puede ser utilizada para fabricar dispositivos funcionales que pueden llegar a ser transparentes a petición".

El proyecto, apoyado financieramente principalmente por el Consejo Europeo de Investigación (proyecto INCEPT), se llevó a cabo en el laboratorio Q4Q dirigido por Daniele Fausti de la Universidad de Trieste en Elettra Sincrotrone Trieste. El modelo teórico se desarrolló en el grupo de Fabio Benatti de la Universidad de Trieste, en colaboración con los investigadores del grupo de Ángel Rubio en el MPSD y Jeroen van den Brink en el IFW / el Instituto de Física Teórica de Dresde.

El director de la teoría MPSD, Ángel Rubio, concluye: "Este trabajo abre nuevas vías para controlar y diseñar fenómenos en materiales correlacionados y topológicos".

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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