Crear nuevos materiales usando solo luz

¿Y si se pudieran crear nuevos materiales con solo proyectar luz a los viejos? Aunque esto pueda parecer exclusivo de la ciencia-ficción, es un objetivo que persiguen los físicos que investigan el naciente campo de la ingeniería de Floquet, un concepto teórico según el cual es factible dotar a materiales ordinarios de propiedades exóticas. Por ejemplo, con luz proyectada del modo idóneo se podría modificar la estructura electrónica de cualquier material semiconductor, alterando sus propiedades fundamentales de manera que pase a comportarse como un superconductor.

Aunque este concepto se viene investigando desde un audaz estudio de 2009 (Oka y Aoki), solo unos pocos experimentos en la última década han logrado demostrar efectos atribuibles a él. Y aunque estos experimentos demuestran la veracidad de la ingeniería de Floquet, el campo se ha visto limitado por la gran dependencia de la luz, que requiere intensidades muy altas que casi vaporizan el material y solo logran resultados modestos.

Pero ahora, un equipo integrado, entre otros, por Vivek Pareek, Keshav Dani y Xing Zhu, del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa (OIST) en Japón, y Gianluca Stefanucci, de la Universidad de Roma Tor Vergata en Italia, ha dado con una nueva y eficaz estrategia alternativa a la usada hasta ahora para la ingeniería de Floquet, al demostrar que los excitones pueden producir efectos de Floquet de forma mucho más eficiente que la luz.

Los excitones se forman en semiconductores cuando los electrones individuales se excitan desde su estado de reposo (la banda de valencia) a un nivel de energía superior (la banda de conducción), generalmente por fotones. El electrón con carga negativa deja un hueco con carga positiva en la banda de valencia, y el par electrón-hueco forma una cuasipartícula bosónica que perdura hasta que el electrón finalmente regresa a la banda de valencia, emitiendo luz. Los excitones transportan energía autooscilante, impartida por la excitación inicial, que afecta a los electrones circundantes en el material a frecuencias ajustables. Dado que los excitones se crean a partir de los electrones del propio material, se acoplan con él con mucha más fuerza que la luz. Y, lo que es crucial, se necesita mucha menos luz para crear una población de excitones lo bastante densa como para servir de impulso periódico eficaz para un efecto de hibridación, que es lo que el citado equipo internacional ha observado ahora.

Los excitones se acoplan con mucha más fuerza al material que los fotones debido a la fuerte interacción de Coulomb, especialmente en materiales 2D (láminas con un grosor del orden de un átomo), y por lo tanto pueden lograr fuertes efectos de Floquet, evitando al mismo tiempo los desafíos que plantea la luz.

Xing Zhu con parte del equipamiento técnico empleado en esta investigación. (Foto: Bogna Baliszewska / OIST. CC BY)

La ingeniería de Floquet se ha considerado durante mucho tiempo como una vía para la creación de materiales cuánticos a demanda a partir de semiconductores convencionales. El principio que sustenta la física de Floquet es relativamente sencillo: cuando un sistema se somete a un impulso periódico (una fuerza externa repetitiva, como un péndulo), el comportamiento general del sistema puede ser más rico que las simples repeticiones del impulso. Piense en un columpio: al empujar periódicamente con el ritmo adecuado a la persona sentada en él, este se eleva a mayor altura, aunque el propio columpio oscile.

La ingeniería de Floquet aplica este principio al mundo cuántico, donde las fronteras entre el tiempo y el espacio se difuminan. En cristales como los semiconductores, los electrones ya están sujetos a un potencial periódico, no en el tiempo, sino en el espacio; los átomos están encerrados en una red reticular apretada, confinando a los electrones a un nivel de energía específico, o banda, según lo dicta la estructura atómica periódica específica. Cuando se proyecta luz sobre el cristal a una frecuencia determinada, se introduce una segunda excitación periódica, ahora en el tiempo, a medida que los fotones electromagnéticos interactúan rítmicamente con los electrones, modificando las bandas de energía permitidas para estos. Al ajustar la frecuencia y la intensidad de la excitación periódica de la luz, se puede lograr que los electrones ocupen nuevas bandas híbridas, alterando a su vez el comportamiento electrónico de todo el sistema y, por lo tanto, las propiedades del material, como cuando dos notas musicales suenan juntas de manera armoniosa  formando un acorde. En cuanto se desactiva el impulso luminoso, la hibridación finaliza y los electrones vuelven a las bandas de energía permitidas por la estructura cristalina. Sin embargo, mientras dura “el acorde”, los investigadores pueden "vestir" los materiales para que exhiban comportamientos que de otro modo resultarían imposibles.

Los autores del nuevo estudio han demostrado no solo que hay formas más prácticas de generar efectos de Floquet sino que además dichos efectos pueden generarse de forma fiable con otros bosones además de con los fotones. La ingeniería excitónica de Floquet es significativamente menos energética que la puramente fotónica y, en teoría, los mismos resultados deberían lograrse con fonones (mediante vibración acústica), plasmones (mediante electrones libres), magnones (mediante campos magnéticos) y otros.

El estudio se titula “Driving Floquet physics with excitonic fields”. Y se ha publicado en la revista académica Nature Physics. (Fuente: NCYT de Amazings)