Imanes luminosos: se descubren cuasipartículas en la superficie de imanes semiconductores
Alexey Chernikov y su equipo están especializados en la detección de cuasipartículas ópticas mediante microscopía ultrarrápida. Junto con colegas internacionales, acaban de visualizar un fenómeno cuántico completamente nuevo: cuasipartículas luminosas -conocidas como excitones- que aparecen en la superficie de un imán semiconductor. Hasta ahora, se creía que sólo podían existir en el interior de tales materiales. El equipo hizo este descubrimiento al estudiar capas cristalinas ultrafinas -de unos pocos átomos de grosor cada una- del semiconductor cuántico antiferromagnético bromuro de sulfuro de cromo (CrSBr). Sus hallazgos se publican ahora en Nature Materials.
Imanes luminosos
think-design | Jochen Thamm
Cuasipartículas en imanes semiconductores
Los materiales cuánticos estudiados por Alexey Chernikov -catedrático de Microscopía Ultrarrápida y Fotónica del Clúster de Excelencia ct.qmat de las Universidades de Wurzburgo y Dresde- y su equipo suelen tener sólo unas pocas capas atómicas de grosor. Su investigación se centra en la exploración de cuasipartículas luminosas. Estas cuasipartículas se forman cuando un pulso de luz excita un electrón, dejando tras de sí un hueco cargado positivamente. El electrón y el agujero se unen mediante atracción electrostática, comportándose como una entidad nueva e independiente similar a una partícula. Estos excitones desempeñan un papel crucial en la absorción y emisión de luz, así como en la transmisión de energía e información cuántica. Los científicos también están explorando su potencial para el almacenamiento de luz.
Los excitones suelen encontrarse en materiales no magnéticos, ya que la mayoría de los imanes son metálicos y no pueden formar excitones estables. Pero el bromuro de sulfuro de cromo (CrSBr), un semiconductor cuántico antiferromagnético, desafía esta regla. Este material único combina el orden magnético con propiedades semiconductoras. Además, sus capas cristalinas sólo se mantienen unidas por fuerzas de Van der Waals, lo que permite obtener películas ultrafinas de unos pocos átomos de grosor. A bajas temperaturas, los momentos magnéticos -llamados espines- de las capas adyacentes se alinean en direcciones opuestas. La estructura de los excitones luminiscentes depende de este orden magnético, lo que significa que los científicos pueden manipular con precisión la absorción y emisión de luz utilizando campos magnéticos.
Captura de excitones
Para visualizar estas cuasipartículas, el equipo de Chernikov utiliza métodos ópticos avanzados que les permiten detectar excitones en capas atómicas individuales de menos de un nanómetro de grosor. Como referencia, un nanómetro es la millonésima parte de un milímetro, algo más que la distancia entre dos átomos.
"En el laboratorio no sólo vimos excitones en el interior del material, sino también en la superficie", explica Chernikov, que trabaja en la sucursal de ct.qmat en Dresde. Fue un paso fundamental para comprender estas fascinantes e inusuales estructuras cuánticas". Los excitones de superficie reflejan y emiten luz en un color ligeramente distinto al de los del interior del material, y así pudimos verlos." La idea de buscar excitones superficiales surgió de conversaciones del equipo de investigación con un colega de la Universidad de Ratisbona que forma parte de este proyecto, recuerda. "Examinamos el material al mismo tiempo en Dresde y en Nueva York, utilizando una preparación de muestras diferente y equipos de medición distintos. Aun así, obtuvimos los mismos resultados, lo que habla de su alta reproducibilidad. Es algo de lo que estoy muy contento".
Resplandor superficial
Los excitones se crean cuando los fotones inciden en un semiconductor. Estas cuasipartículas absorben la luz, almacenan su energía y pueden atravesar la capa de material. Cuando se disuelven, liberan la energía almacenada en forma de luz.
"Los excitones desempeñan un papel fundamental en el comportamiento óptico de los nanomateriales", subraya el Dr. Florian Dirnberger, que participó en el descubrimiento recientemente publicado como jefe de proyecto en Dresde, y ahora dirige un Grupo Independiente de Investigación Emmy Noether en la Universidad Técnica de Múnich.
"Los excitones se conocen desde hace muchas décadas", prosigue Dirnberger, "pero sólo en los últimos cuatro años los físicos de materiales han empezado a explorar realmente su potencial cuando se crean excitones deliberadamente en cristales magnéticos". Además de almacenar y transportar energía, pueden transportar y liberar información a través de la luz". Y añade: "Aunque la investigación sobre estas exóticas cuasipartículas aún está en pañales, con el tiempo podrían sentar las bases de nuevas tecnologías que combinen fotónica y magnetismo. Nuestros hallazgos suponen una importante contribución a este campo".
Éxito internacional
Esta investigación es fruto de la colaboración internacional de científicos de Estados Unidos, Alemania, Reino Unido, Países Bajos y República Checa. Combinando la síntesis avanzada de materiales, la espectroscopia de alta sensibilidad y la compleja teoría de muchos cuerpos, el equipo exploró la estructura de las cuasipartículas luminosas en nuevos imanes semiconductores. Estos hallazgos son importantes no sólo para profundizar en nuestra comprensión de los materiales magnéticos, sino también para impulsar futuras innovaciones tecnológicas en este campo emergente.
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.
Publicación original
Magnetically confined surface and bulk excitons in a layered antiferromagnet, Y. Shao, F. Dirnberger, S. Qiu, S. Acharya, S. Terres, E. J. Telford, D. Pashov, B. S. Y. Kim, F. L. Ruta, D. G. Chica, A. H. Dismukes, M. E. Ziebel, Y. Wang, J. Choe, Y. J. Bae, A. J. Millis, M. I. Katsnelson, K. Mosina, Z. Sofer, R. Huber, X. Zhu, X. Roy, M. van Schilfgaarde, A. Chernikov, and D. N. Basov, Nat Mater. 24, 391–398 (2025).
Más noticias del departamento ciencias
