Este concepto puede parecer extravagante, pero se encuentra en el corazón de un área emergente de la física conocida como ingeniería de flujos. Los investigadores en este campo estudian cómo influencias repetidas, como la luz cuidadosamente sintonizada, pueden remodelar temporalmente la forma en que se comportan los electrones dentro de un material. Cuando esto sucede, una sustancia conocida como un semiconductor puede adquirir brevemente propiedades inusuales, incluidos comportamientos típicamente asociados con los superconductores.
Aunque la teoría básica detrás de la física de Floquet se remonta a una propuesta de 2009 de Oka y Aoki, la evidencia experimental ha sido difícil de alcanzar. Durante la última década, sólo un pequeño número de experimentos han demostrado con éxito un efecto Floquet claro. Una limitación importante es la necesidad de una luz muy intensa. Estos altos niveles de energía están cerca de destruir el material y al mismo tiempo producen solo pequeños cambios.
Los excitones ofrecen una alternativa más eficiente
Los investigadores ahora han identificado una nueva y prometedora forma de lograr el efecto Floquet sin depender de condiciones de luz tan extremas. Un equipo global dirigido por el Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa (OIST) y la Universidad de Stanford ha demostrado que los excitones pueden impulsar estos efectos de manera mucho más eficiente que la luz sola. Sus resultados fueron publicados en Nature Physics.
“Los excitones son mucho más fuertes que los fotones en la materia debido a la fuerte interacción de Coulomb, especialmente en materia 2D”, dijo el profesor Keshav Dani de la Unidad de Espectroscopía de Femtosegundos de OIST, “y por lo tanto pueden lograr el fuerte efecto Floquet para evitar los desafíos que plantea la luz”. Con eso, tenemos un nuevo camino material y caminos potenciales que podrían mejorar los materiales futuros que promete Floquet Engineering”.
Este enfoque apunta a una nueva ruta para controlar los materiales cuánticos minimizando al mismo tiempo el riesgo de daños.
Cómo la ingeniería Floquet cambia la materia cuántica
La ingeniería floket se considera una forma potencial de crear materiales cuánticos personalizados a partir de semiconductores ordinarios. El concepto se basa en un principio físico conocido. Cuando un sistema experimenta un impacto repetido, su respuesta puede ser más compleja que repetida. Un ejemplo común es el columpio de un patio de juegos, donde el columpio es alto aunque el movimiento es rítmico debido a los golpes sincronizados.
En la materia cuántica, los electrones ya experimentan una estructura repetitiva porque los átomos están dispuestos en una red cristalina ordenada. Esta repetición espacial confina al electrón a ciertos niveles de energía, conocidos como bandas. Cuando la luz con una determinada frecuencia interactúa con el cristal, introduce un segundo efecto repetitivo que se desarrolla con el tiempo. A medida que los fotones interactúan resonantemente con los electrones, las bandas de energía permitidas cambian.
Ajustando cuidadosamente la frecuencia y la intensidad de la luz, los electrones pueden ocupar temporalmente la nueva banda de energía híbrida. Estos cambios afectan la forma en que los electrones se mueven e interactúan, lo que cambia las propiedades generales del material. Cuando se apaga la luz, el material vuelve a su estado original. Sin embargo, durante la interacción, los investigadores pueden adaptar eficazmente los materiales con nuevos comportamientos cuánticos.
¿Por qué la visión basada en la luz es pequeña?
“Hasta ahora, la ingeniería Flocat ha sido sinónimo de accionamientos ligeros”, afirmó Jing Zhu, estudiante de doctorado en OIST. “Pero aunque estos sistemas han sido fundamentales para demostrar la existencia del efecto Floquet, los pares de luz importan poco, lo que significa que se requieren frecuencias muy altas, a menudo en la escala de femtosegundos, para lograr la hibridación. Niveles de energía tan altos vaporizan el material y los efectos son de muy corta duración. Por el contrario, se requieren excitones de motor bajos”.
Este desafío ha ralentizado el progreso hacia la aplicación práctica.
¿Qué son los excitones y por qué son importantes?
Los excitones se crean dentro de un semiconductor cuando los electrones absorben energía y saltan de su estado de reposo en la banda de valencia a un estado de mayor energía en la banda de conducción. Este proceso deja un agujero cargado positivamente. El electrón y el hueco permanecen unidos como una cuasipartícula de vida corta hasta que el electrón rebota y emite luz.
Como los excitones se originan a partir de los propios electrones del material, interactúan mucho más fuertemente con la estructura circundante que la luz externa. También transportan energía oscilante desde su excitación inicial, que afecta a los electrones cercanos a una frecuencia controlable.
“Dada la excitación primaria, los excitones transportan energía autooscilante, que afecta a los electrones que rodean el material en frecuencias sintonizables. Dado que los excitones se crean a partir de los electrones del material, están mucho más fuertemente acoplados al material que la luz. Y lo más importante, se necesita mucha menos luz para crear una población de excitones que sea lo suficientemente funcional como para activar que podamos hidratarnos lo suficiente”, observa ahora Tor Vergata de la Universidad de Roma. Explica Gianluca Stefanucci.
Capturando el efecto mediante espectroscopia avanzada
Este avance se basa en muchos años de investigación de excitones en OIST y el desarrollo de un potente sistema TR-ARPES (espectroscopia de fotoemisión resuelta en tiempo y ángulo).
Para separar los efectos de la luz de los excitones, el equipo estudió un semiconductor atómicamente delgado. Primero observaron cambios en la estructura de la banda electrónica directamente aplicando un potente impulso óptico (es decir, de luz), lo que confirma el comportamiento esperado de Floquet. Luego redujeron la intensidad de la luz en un orden de magnitud y midieron la respuesta electrónica después de 200 femtosegundos. Este tiempo les permite aislar el aporte excitónico.
“Los experimentos hablan por sí solos”, dijo el Dr. Vivek Parekh, un graduado de OIST que ahora es becario postdoctoral presidencial en el Instituto de Tecnología de California. “Nos llevó unas pocas horas de adquisición de datos observar los flocquets homólogos con luz, pero unas dos horas adquirir flocquets excitónicos y efectos aún más fuertes”.
Hacia el diseño práctico de materiales cuánticos
Los resultados muestran que el efecto Floquet no se limita a técnicas basadas en luz. Se pueden fabricar de forma fiable utilizando partículas bosónicas distintas de los fotones. La ingeniería Excitonic Floquet requiere mucha menos energía que los métodos ópticos y abre la puerta a un conjunto de herramientas más amplio.
En principio, se pueden lograr efectos similares usando fonones (usando vibraciones sonoras), plasmones (usando electrones que flotan libremente), magnones (usando campos magnéticos) y otras excitaciones. Juntas, estas posibilidades acercan la ingeniería de Floquet al uso práctico y a la creación fiable de nuevos materiales y dispositivos cuánticos.
El coprimer autor del estudio, el Dr. David Bacon, ex investigador de OIST ahora en el University College de Londres, dijo: “Hemos abierto la puerta a la física de Floket aplicada para diferentes tipos de bosones. Esto es muy emocionante debido al poderoso potencial para crear y manipular directamente materiales cuánticos. Aún no tenemos la receta, pero la necesitamos para la primera receta. Pasos prácticos”.
