Los materiales extremadamente delgados, compuestos de sólo unas pocas capas atómicas, prometen aplicaciones para la electrónica y las tecnologías cuánticas.

Los investigadores han acelerado drásticamente la conmutación entre excitones y triones en semiconductores bidimensionales mediante pulsos de terahercios , lo que ofrece nuevas posibilidades para aplicaciones de materiales cuánticos. Este avance, logrado por un equipo internacional que incluye científicos de la Universidad Técnica de Dresde y el HZDR, permite transiciones casi instantáneas y allana el camino para futuras innovaciones en tecnología de sensores y procesamiento óptico de datos.

Dinámica de excitones y triones

Los semiconductores bidimensionales pueden presentar propiedades fundamentalmente diferentes a las de los cristales convencionales. En particular, es más fácil generar las llamadas partículas de excitón: si un electrón, que se sabe que tiene carga negativa, se excita en el material absorbiendo energía, se lo retira de su posición original y deja atrás una carga móvil: un “hueco” con carga positiva.

Los electrones y los huecos se atraen entre sí y forman juntos un estado ligado llamado excitón, una especie de par electrónico. Si hay otro electrón cerca, es atraído hacia él para formar un estado de tres partículas, conocido como trión en la jerga científica. La característica especial del trión es la combinación de carga eléctrica con una fuerte emisión de luz, lo que permite un control electrónico y óptico simultáneo.

Acelerando los interruptores cuánticos

Desde hace tiempo se considera que la interacción entre el excitón y el trión es un proceso de conmutación fascinante en sí mismo y que también podría ser interesante para futuras aplicaciones. De hecho, muchos laboratorios ya han logrado cambiar entre los dos estados de forma selectiva, aunque hasta ahora con velocidades de conmutación limitadas.

Un equipo internacional dirigido por el profesor Alexey Chernikov de la Universidad Técnica de Dresde y el físico del HZDR, Dr. Stephan Winnerl, ha logrado acelerar significativamente este cambio. El trabajo se llevó a cabo en el marco del Clúster de Excelencia de Würzburg-Dresden “Complejidad y topología en materiales cuánticos, ct.qmat”. Los investigadores de Marburgo, Roma, Estocolmo y Tsukuba realizaron importantes contribuciones al proyecto.

Batiendo récords de velocidad con pulsos de terahercios

Los experimentos se llevaron a cabo en una instalación especial del HZDR. El láser de electrones libres FELBE emite pulsos intensos de terahercios, un rango de frecuencia que se encuentra entre las ondas de radio y la radiación cercana al infrarrojo. Primero, los investigadores iluminaron una capa atómicamente delgada de diseleniuro de molibdeno a temperaturas criogénicas con pulsos láser cortos, generando los excitones. Una vez creados, cada excitón capturó un electrón de los que ya estaban presentes en cantidad suficiente en el material y, por lo tanto, se convirtieron en triones.

“Cuando disparamos pulsos de terahercios al material, los triones se transformaron de nuevo en excitones con gran rapidez”, explica Winnerl. “Pudimos demostrarlo porque los excitones y los triones emitían radiación infrarroja cercana en longitudes de onda diferentes”. El factor decisivo en el experimento fue la coincidencia de frecuencias de los pulsos de terahercios para romper el enlace débil entre el excitón y el electrón, de modo que se recreó un par formado por un solo electrón y un hueco. Poco después, este excitón captura otro electrón y se convierte de nuevo en un trión.

La separación en excitones se produjo a una velocidad récord. El enlace se rompió en unos pocos picosegundos, una billonésima de segundo. “Esto es casi mil veces más rápido de lo que se podía lograr con métodos puramente electrónicos y se puede generar a demanda con radiación de terahercios”, destaca el científico de la TU Chernikov.

El nuevo método ofrece interesantes perspectivas de investigación. El siguiente paso podría ser la extensión de los procesos demostrados a una variedad de estados electrónicos complejos y plataformas materiales. De este modo, se podrían lograr estados cuánticos inusuales de la materia, que surgen de la fuerte interacción entre muchas partículas, así como aplicaciones a temperatura ambiente.

Ampliación de aplicaciones en materiales cuánticos

Los resultados también podrían resultar útiles para futuras aplicaciones, por ejemplo en la tecnología de sensores o en el procesamiento óptico de datos. “Sería concebible adaptar el efecto a nuevos tipos de moduladores con conmutación rápida”, explica Winnerl. “En combinación con los cristales ultrafinos, esto podría utilizarse para desarrollar componentes que sean extremadamente compactos y capaces de controlar electrónicamente la información codificada ópticamente”.

Otro campo de aplicación sería la detección y captura de imágenes de la radiación de terahercios, de gran importancia tecnológica. “A partir de los procesos de conmutación demostrados en semiconductores atómicamente finos, es posible que a largo plazo se puedan desarrollar detectores que funcionen en el rango de los terahercios, que sean ajustables en un amplio rango de frecuencias y que puedan implementarse como cámaras de terahercios con un gran número de píxeles”, sugiere Chernikov.

“En principio, una intensidad relativamente baja debería ser suficiente para activar el proceso de conmutación”. La conversión de triones en excitones produce cambios característicos en la longitud de onda de la luz infrarroja cercana emitida. Detectarlos y convertirlos en imágenes sería bastante sencillo y podría lograrse utilizando la tecnología de vanguardia ya existente.