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Investigadores australianos han construido una caja cuántica para polaritones en un material bidimensional, logrando grandes densidades de polaritones y un estado cuántico parcialmente «coherente».
Los nuevos conocimientos de la nueva técnica podrían dar a los investigadores acceso a sorprendentes fenómenos cuánticos «colectivos» en esta familia de materiales, lo que permitiría tecnologías futuras de alto rendimiento y ultraeficientes desde el punto de vista energético.
La clave para construir la caja cuántica fue usar un material 2D «pequeño» (disulfato de tungsteno) encima de una heteroestructura «grande» que contenía el mismo material. Esto permitió a los investigadores estudiar y comparar cuidadosamente las propiedades de los polaritones confinados en la caja y los polaritones que se mueven libremente.
«Pudimos demostrar que los polaritones que se forman en cualquier lugar fuera de la caja cuántica viajan muchos micrómetros y pueden quedar atrapados y acumularse dentro de la caja.‘, dijo el investigador principal, el Dr. Matthias Wurdack (Universidad Nacional de Australia).
¿Por qué necesitamos grandes densidades de polaritones?
Los polaritones de excitón son una plataforma prometedora para la futura electrónica de ultra baja energía porque pueden fluir en un estado cuántico completamente «coherente» sin desperdiciar energía.
Los nuevos semiconductores bidimensionales atómicamente delgados (TMDC) son candidatos prometedores para tales tecnologías futuras, ya que los excitones en estos materiales son estables a temperatura ambiente.
(La operación a temperatura ambiente es importante en cualquier tecnología alternativa viable de baja potencia para que la energía requerida para subenfriar el dispositivo no supere las ganancias).
«Sin embargo, este transporte ‘sin pérdidas’ requiere una transición de fase a un estado cuántico macroscópicamente coherente, que solo ocurre en densidades de partículas muy altas, a las que es difícil acceder en semiconductores 2D». explica la líder del grupo, la Prof. Elena Ostrovskaya (también en la ANU).
«La nueva técnica permite a los investigadores de ANU generar altas densidades de polaritón en una ‘caja cuántica’ diseñada».
Exciton-Polaritons: una breve explicación
Un «excitón» es un par electrón-hueco unido y se puede crear en un semiconductor de banda prohibida directa donde un electrón fotoexcitado en la banda de conducción se une a una vacante de electrones con carga positiva (hueco) en la banda de valencia.
La mezcla de estos excitones con luz conduce a la formación de las codiciadas partículas híbridas de luz y materia, llamadas «excitones-polaritones», que pueden moverse a través del semiconductor sin convertir la energía en calor.
La ‘mezcla’ se logra colocando un semiconductor 2D en una microcavidad que consta de dos espejos separados unos cientos de nanómetros que confinan la luz.
En dicho dispositivo, los excitones en el semiconductor 2D pueden acoplarse fuertemente a la luz confinada y formar excitones-polaritones (a menudo llamados simplemente «polaritones»).
Cómo construir una caja cuántica
En el dispositivo de microcavidad/heteroestructura, los excitones-polaritones que interactúan pueden sufrir una transición de fase al estado cuántico de no disipación del condensado de Bose-Einstein (BEC) o superfluido, que podría explotarse en tecnologías futuras.
Esta transición de fase se puede lograr a temperatura ambiente con densidades de partículas suficientemente altas.
Un método popular para aumentar la densidad de partículas y, por lo tanto, las interacciones de los polaritones es confinarlos espacialmente en una caja cuántica.
Sin embargo, construir una caja cuántica para excitones-polaritones en materiales 2D es difícil porque estos materiales son extremadamente frágiles y se dañan fácilmente con las técnicas tradicionales de nanofabricación.
Los investigadores de FLEET/ANU encontraron una nueva forma de construir una caja cuántica de este tipo mecánicamentesin necesidad de máquinas de nanofabricación que expongan los frágiles materiales 2D a partículas calientes y abrasivas.
Para este propósito, una monocapa «pequeña» de disulfuro de tungsteno TMDC (WS2), en un WS ‘grande’2 Monocapa espaciada por Ga ultrafino2O3 Vidrio, dentro de la microcavidad espejada.
Los tamaños «pequeño» y «grande» se refieren a la longitud de onda de la partícula de un polaritón de excitón.
La capa más pequeña crea un «pozo de potencial» porque dentro de sus límites hay más acoplamiento excitón-luz, lo que roba a los polaritones energía potencial, dejándolos con energía insuficiente para escapar del pozo.
El diseño permite a los investigadores acumular y confinar polaritones dentro de la trampa de «caja» formada por el pozo de potencial, lo que aumenta considerablemente la densidad de polaritones dentro de la caja.
Estudio confirma un paso hacia el estado cuántico deseado
Los investigadores pudieron comparar las propiedades del polaritón tanto dentro como fuera de la trampa de caja.
Descubrieron que el atrapamiento conduce a una redistribución de energía hacia estados de menor energía, lo que indica un progreso hacia los estados cuánticos deseados de BEC y superfluidez.
Además, los investigadores encontraron que la captura mejora significativamente la coherencia macroscópica de los polaritones incluso antes de que se alcance la fase BEC.
Esto se debe a que la luz limitada es mucho más duradera que la WS.2 excitones, y la captura reduce en gran medida las fluctuaciones de fase del gas polaritón.
Sorprendentemente, la coherencia dentro de la trampa mejorada también se logró cuando los polaritones se generaron exclusivamente fuera de la región de captura y poblaron la trampa migrando hacia ella sobre la muestra.
Materiales novedosos
Los semiconductores utilizados en este estudio pertenecen a la familia de cristales de dicalcogenuro de metales de transición (TMDC), que son cristales en capas débilmente unidos a través de interacciones de van der Waals (similares al grafito en los lápices).
Debido a que los enlaces entre las capas son tan débiles, los investigadores pueden «adelgazar» estos cristales con relativa facilidad utilizando el método de la «cinta», utilizado por primera vez por Geim y Novoselov para aislar el grafeno 2D en 2010.
Cuando se diluye hasta el límite de la monocapa (es decir, un átomo delgado), la luz de una cierta longitud de onda interactúa fuertemente con las monocapas y genera excitones directamente. (Este proceso no tiene lugar en los cristales a granel).
Los TMDC 2D se consideran plataformas prometedoras para tecnologías futuras porque los excitones en estos materiales son estables a temperatura ambiente.
Sin embargo, los excitones en los TMDC solo tienen interacciones efectivas débiles entre sí, lo que hace que los fenómenos cuánticos «colectivos» como BEC y la superfluidez sean difíciles de alcanzar.
«Mientras que los excitones en los TMDC interactúan fuertemente con la luz para formar excitones-polaritones, los excitones-polaritones en los TMDC solo interactúan débilmente entre sí.‘, explica Mathias. «Una densidad de polaritón muy alta podría ser una forma de salir de este desafío”.
El estudio
Mejora de la población del estado fundamental y la coherencia macroscópica de WS a temperatura ambiente2 Polaritones por limitación técnica se publicó en Cartas de verificación física en octubre de 2022 (DOI 10.1103/physrevlett.129.147402)
Se recibió financiación del Australian Research Council (Centros de Excelencia y programas DECRA) y del European Research Council.
Fuente: https://www.fleet.org.au/
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