Un grupo de investigación de la City University de Nueva York y la Universidad de Texas en Austin ha encontrado un método para hacer que los excitones oscuros, una clase de estados de luz nunca antes vistos, emitan luz brillante y puedan controlarse con precisión a nanoescala. El estudio, publicado el 12 de noviembre Fotónica de la naturalezaApuntando a tecnologías futuras que pueden funcionar más rápido, usar menos energía e incluso reducirse a tamaños más pequeños.
Los excitones oscuros se crean en semiconductores ultrafinos y normalmente son indetectables porque sólo emiten una luz tenue. Sin embargo, los científicos los consideran prometedores para la información cuántica y la fotónica avanzada desde hace mucho tiempo porque interactúan con la luz de maneras inusuales, permanecen estables durante períodos de tiempo relativamente largos y experimentan menos perturbaciones de su entorno, lo que ayuda a reducir la decoherencia.
Amplificación de excitones oscuros con diseño a nanoescala
Para sacar a la luz estos estados ocultos, los investigadores crearon una pequeña cavidad óptica hecha de nanotubos de oro combinados con una sola capa de diseleniuro de tungsteno (WSe2), un material de sólo tres átomos de espesor. Esta estructura aumentó el brillo de los excitones oscuros en un notable factor de 300.000, haciéndolos claramente observables y permitiendo un control preciso de su comportamiento.
“Este trabajo muestra que podemos acceder y manipular estados de materia luminosa que antes estaban fuera de nuestro alcance”, dijo la investigadora principal Andrea Alu, profesora distinguida y Einstein de Física en el Centro de Graduados de CUNY y directora fundadora de la Iniciativa de Fotónica en el Centro de Investigación Científica Avanzada del Centro de Graduados de CUNY (CUNY Graduate Center). “Al activar y desactivar estos estados ocultos a voluntad y controlarlos con resolución a nanoescala, abrimos oportunidades interesantes para avanzar disruptivamente en las tecnologías ópticas y cuánticas de próxima generación, incluidas la detección y la informática”.
Control eléctrico y magnético de estados cuánticos ocultos.
El equipo también demostró que estos excitones oscuros se pueden conmutar y ajustar mediante campos eléctricos y magnéticos. Este nivel de control puede respaldar nuevos diseños de fotónica en chips, detectores altamente sensibles y comunicaciones cuánticas seguras. Es importante destacar que el método conserva las propiedades originales del material y al mismo tiempo logra mejoras récord en el acoplamiento óptico-material.
“Nuestro estudio revela una nueva familia de excitones oscuros con espín prohibido que nunca antes se había visto”, dijo el primer autor Xiamin Quan. “Este descubrimiento es sólo el comienzo: abre un camino para explorar muchos otros estados cuánticos ocultos en materiales 2D”.
La plasmónica es una solución controvertida
Los hallazgos también abordan la antigua cuestión de si las estructuras plasmónicas pueden potenciar los excitones oscuros sin cambiar su naturaleza fundamental cuando están cerca. Los investigadores resolvieron esto diseñando una heteroestructura plasmónica-excitónica hecha con capas de nitruro de boro de espesor nanométrico, que resultó necesaria para liberar los excitones oscuros recientemente identificados.
El trabajo recibió el apoyo de la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea, la Oficina de Investigación Naval y la Fundación Nacional de Ciencias.
