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Investigadores de la Universidad de Monash han obtenido nuevos conocimientos sobre el comportamiento de las impurezas cuánticas en los materiales.
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El nuevo estudio teórico internacional presenta un enfoque novedoso conocido como expansión virial cuántica, que proporciona una poderosa herramienta para descubrir las complejas interacciones cuánticas en semiconductores bidimensionales.
Este avance tiene el potencial de remodelar nuestra comprensión de los sistemas cuánticos complejos y desbloquear interesantes aplicaciones futuras utilizando nuevos materiales 2D.
Revelar impurezas cuánticas
El estudio de las “impurezas cuánticas” tiene aplicaciones de gran alcance en toda la física en sistemas tan diversos como los electrones en una red cristalina o los protones en estrellas de neutrones. Juntas, estas impurezas pueden formar nuevas cuasipartículas con propiedades alteradas que esencialmente se comportan como partículas libres.
Aunque se trata de un problema sencillo de formular con muchos cuerpos, los problemas de impurezas cuánticas son difíciles de resolver.
«El desafío es describir con precisión las propiedades modificadas de las nuevas cuasipartículas». dice la Dra. Brendan Mulkerin, quien dirigió la colaboración con investigadores en España.
El estudio ofrece una nueva perspectiva sobre las impurezas en materiales 2D conocidos como polarones de excitones, pares de electrones-huecos unidos sumergidos en un medio fermiónico.
Un nuevo camino: la expansión viral cuántica
El equipo de la Universidad de Monash presentó la Expansión Virial Cuántica (QVE), un poderoso método que durante mucho tiempo ha sido indispensable para los gases cuánticos ultrafríos.
En este caso, integrar QVE en el estudio de las impurezas cuánticas significó que solo era necesario considerar las interacciones entre pares de partículas cuánticas (en lugar de un gran número de ellas), y el modelo resultante, soluble, arroja nueva luz sobre la interacción entre impurezas. y su entorno en semiconductores 2D.
El nuevo enfoque es notablemente efectivo a temperaturas «altas» (por ejemplo, cualquier valor superior a unos pocos grados Kelvin en un semiconductor) y bajo dopaje, donde la longitud de onda térmica de los electrones es menor que su distancia entre partículas, lo que da como resultado una teoría «perturbativamente» exacta ( se refiere a un sistema cuántico que está perturbado por un límite simple y solucionable).
«Uno de los aspectos más intrigantes de esta investigación es su potencial para unificar varios modelos teóricos, resolviendo el debate en curso sobre el modelo apropiado para explicar la respuesta óptica de los semiconductores 2D a través de la expansión virial cuántica». dice el autor correspondiente A/Prof Jesper Levinsen (también en Monash).
Abrir puertas al futuro
Se espera que la expansión virial cuántica tenga impactos de gran alcance, ampliando sus aplicaciones a varios sistemas más allá de los semiconductores 2D.
«Comprender la física de las impurezas cuánticas seguirá proporcionando conocimientos y abriendo nuevas propiedades y nuevas oportunidades para comprender, explotar y controlar las interacciones cuánticas». dice el autor correspondiente, el Prof. Meera Parish (Monash).
El estudio
“Expansión virial cuántica exacta para la respuesta óptica de semiconductores bidimensionales dopados” se publicó en Cartas de examen físico en septiembre de 2023 (DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.106901)
Entre los miembros españoles del equipo se encontraban la investigadora del Centro de Física de la Materia Condensada (IFIMAC) de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM), la Prof. Francesca Maria Marchetti, en colaboración con la Dra. Antonio Tiene de la UAM, autor principal de un artículo conjunto en Examen físico B: Transición de excitones polarones a triones en semiconductores bidimensionales dopados a temperatura finita (DOI 10.1103/physrevb.108.125406)
Además del apoyo del Australian Research Council, recibimos financiación del Ministerio de Ciencia e Innovación de España (MICINN) y la Synergy Grant for New Emerging Fields: Nanophotonics for Quantum Computing (NanoQuCoCM).
Fuente: https://www.monash.edu/
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