¿Cómo se mueven las partículas cuánticas?

Los excitones, unas quasi-partículas eléctricamente neutras, tienen propiedades extraordinarias. Existen, por ejemplo, solamente en materiales semiconductores y aislantes y puede accederse a ellas en materiales de dos dimensiones con incluso el grosor de dos átomos, como en el caso del carbón y del molibdenito. Cuando estos materiales 2D se combinan, exhiben propiedades cuánticas que ninguno de los materiales posee por separado.

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En la nueva Universidad de Tel Aviv se explora la generación y propagación de los excitones en materiales 2D dentro de una ventana de tiempo muy pequeña y con una resolución espacial extraordinariamente alta. La investigación, a cargo del Profesor Haim Suchowski y del Dr. Michale Mrejen, de la TAU’s Raymond & Beverly Sackler Faculty of Exact Sciences, publicaron sus hallazgos en Science Advances, en su número de febrero 2019.

La mecánica cuántica es la teoría fundamental en física que describe la naturaleza de las más pequeñas escalas de energía. “Nuestra nueva tecnología de imágenes captura los movimientos de los excitones en una ventana temporal muy corta y a una escala de nanómetros”, dice el Dr. Mrejen y agrega: “esta herramienta puede ser extremadamente útil para ver lo que pasa en un material cuando incide la luz, en su primer momento y el cómo le afecta”.

“Tales materiales pueden ser usados para bajar la velocidad de la luz lo suficiente para manipular o incluso el almacenar, lo que los hace un candidato interesante para las computadoras cuánticas basadas en fotones y las comunicaciones”. El Profesor Suchowski explica: “Desde el punto de vista de la capacidad del instrumento, este tour de force abre nuevas oportunidades para visualizar y manipular la respuesta ultrarrápida de muchos otros materiales en otros regímenes espectrales, como el infrarrojo en donde se ha encontrado que muchas moléculas vibran”.

Los científicos desarrollaron una técnica espacio-temporal única, a una escala nanométrica de femtosegundos en donde se observa la dinámica del excitón-polaritón en materiales semiconductores, a temperatura ambiente, como el tungsteno diselenido.

El excitón-polaritón es una “criatura” cuántica generada al acoplar luz y materia. Debido a los materiales específicos estudiados, la velocidad de propagación fue de cerca del 1% de la velocidad de la luz. A esta escala temporal, la luz se mueve apenas unos cuentos de nanómetros.

“Sabemos que teníamos una herramienta única para caracterización y estos materiales 2D fueron buenos candidatos para explorar el comportamiento interesante en la intersección ultrarrápida y ultrapequeña”, dice Mrejen. “Debería agregar que el material tungsteno diselenido es extremadamente interesare desde un punto de vista de las posibles aplicaciones. Sostiene estados de la luz acoplados en dimensiones muy confinadas casi del grosor de un solo átomo, a temperatura ambiente y en el espectro de luz visible”.

Los investigadores ahora estudian el cómo controlar la velocidad de las ondas del semiconductor, por ejemplo, combinando múltiples materiales de 2D en una pila.

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