Físicos descubren una "gota cuántica" en un semiconductor

Foto: BRAD BAXLEY/JILA

MADRID, 27 Feb. (EUROPA PRESS) -

   Físicos del 'Joint Institute for Laboratory Astrophysics' (JILA) de la Universidad de Colorado Boulder, en Estados Unidos, usaron un láser ultrarrápido y la ayuda de teóricos alemanes para descubrir una nueva cuasipartícula, un puñado de partículas más pequeñas que se condensan brevemente en una gota líquida, excitando un semiconductor de arseniuro de galio.

   Las cuasipartículas son materiales compuestos de partículas más pequeñas que se pueden crear en el interior de materiales sólidos y actúan juntas de una manera predecible. Un ejemplo simple es el excitón, una combinación, debida a las fuerzas electrostáticas, de un electrón y un llamado "agujero", un lugar en la estructura de la energía del material en el que un electrón podría estar pero no está.

   La nueva cuasipartícula, que se describe en la edición de este jueves de 'Nature' y aparece en la portada de la revista, es un complejo microscópico de electrones y agujeros en una nueva disposición desparejada. Los investigadores llaman a esto una "gota cuántica", ya que tiene características cuánticas, como niveles de energía bien ordenados, pero también tiene algunas de las características de un líquido, como por ejemplo, ondulaciones.

   Se diferencia de un líquido conocido como el agua debido a que la gota cuántica tiene un tamaño finito, más allá del cual la asociación entre electrones y huecos desaparece. Aunque su vida es de sólo unos fugaces 25 picosegundos (una billonésima de segundo), la "gota cuántica" es lo suficientemente estable para investigar cómo la luz interactúa con formas especializadas de la materia.

   "Gotas de electrón-hueco se conocen en los semiconductores, pero por lo general contienen miles de millones de electrones y huecos", señala el físico de JILA Steven Cundiff, que estudia las propiedades de los láseres de última generación y lo que revelan acerca de la materia. "Aquí estamos hablando de gotitas con alrededor de cinco electrones y cinco agujeros", matiza.

   "En cuanto a los beneficios prácticos, nadie se va a crear un aparato de gota cuántica. Pero esto tiene beneficios indirectos en términos de mejorar nuestra comprensión de cómo interactúan los electrones en diversas situaciones, incluso en dispositivos optoelectrónicos", subraya.

   El equipo de JILA creó la nueva cuasipartícula excitando un semiconductor de arseniuro de galio con un láser rojo ultrarrápido que emite alrededor de 100 millones de pulsos por segundo. Los pulsos forman inicialmente excitones, que se sabe que viajan alrededor en los semiconductores. A medida que aumenta la intensidad del pulso láser, se crean más pares electrón-hueco, con las gotitas cuánticas desarrollándose cuando la densidad de excitones alcanza cierto nivel.

   En ese punto, el emparejamiento desaparece y un par de electrones ocupan posiciones relativas a un orificio dado. Los electrones cargados negativamente y los agujeros cargados positivamente crean una gotita neutra, siendo las gotitas son como burbujas unidas brevemente por la presión del plasma circundante.

   Los datos experimentales de JILA en niveles de energía de anillos de gotas individuales coinciden con los cálculos teóricos de los coautores de la Universidad de Marburg en Alemania. Los investigadores JILA descubrieron que podían aprovechar cada nivel de energía mediante la adaptación de las propiedades cuánticas de los pulsos de láser para que coincida con las correlaciones de partículas dentro de las gotitas.

   Las gotas parecen lo suficientemente estables como para futuros estudios sistemáticos sobre las interacciones entre la luz y estados altamente correlacionados de la materia. Además, las cuasipartículas, en general, pueden tener propiedades exóticas que no se encuentran en sus partes constituyentes y, por lo tanto, jugar un papel en el control del comportamiento de sistemas y dispositivos más grandes.

Enlaces relacionados: JILA physicist discover 'quantum droplet' in semiconductor