Hacer que los fotones jueguen bien con los electrones

Los investigadores del MIT han logrado hacer que los fotones y los electrones bailen juntos en la superficie de un tipo inusual de material llamado aislante topológico. Este tipo de acoplamiento había sido predicho por los teóricos pero nunca antes observado.

Nuh Gedik con el espectrómetro de electrones que él y su equipo usaron para estudiar el comportamiento de los electrones.

Los investigadores sugieren que este hallazgo podría hacer posible la creación de materiales cuyas propiedades electrónicas se pueden ajustar en tiempo real, simplemente alumbrando con rayos láser precisos. El trabajo abre una nueva vía para la manipulación óptica de los estados cuánticos de la materia, dice Nuh Gedik, profesor asociado de física y autor principal de un artículo en Ciencias que describe el nuevo trabajo.

Gedik y su equipo dispararon pulsos extremadamente breves de luz láser de infrarrojo medio, que duraron solo unos pocos cientos de femtosegundos, o una millonésima de una mil millonésima de segundo, a una muestra del aislante topológico, un material cristalino sólido. Observaron los resultados con un espectrómetro de electrones, una cámara especializada de alta velocidad.

Lo que vieron cuando los fotones pulsados ​​se mezclaron con los electrones exóticos en la superficie del material demostró la existencia de una mezcla de mecánica cuántica conocida como estado Floquet-Bloch. Los estados de Bloch (que describen el movimiento regular y repetitivo de los electrones en un cristal) son periódicos en el espacio. Los estados de Floquet (que describen cómo los fotones interactúan con la materia) son periódicos en el tiempo. Hacer que los electrones y los fotones interactúen de manera coherente genera el estado Floquet-Bloch, que es periódico tanto en el tiempo como en el espacio.

La cámara de alta velocidad capturó instantáneas del estado nunca antes visto desde su generación hasta su desaparición, un proceso que duró solo unos pocos cientos de femtosegundos. Los investigadores también encontraron que el comportamiento del material cambiaba cuando cambiaba la polarización de la luz.

Sus hallazgos sugieren que es posible alterar las propiedades electrónicas de un material, por ejemplo, cambiarlo de un conductor a un semiconductor, simplemente transmitiéndolo con luz polarizada de una manera particular. Normalmente, para producir cambios tan drásticos en las propiedades de un material, hay que hacerle algo violento, dice Gedik. Pero en este caso, puede ser posible hacer esto con solo iluminarlo.

Tomará algún tiempo evaluar las posibles aplicaciones, dice Gedik. Pero sugiere que esta podría ser una forma de diseñar materiales para funciones específicas. Suponga que desea que un material haga algo: conducir electricidad o ser transparente, por ejemplo, dice. Normalmente lo hacemos por medios químicos. Con este nuevo método, un destello de luz láser puede ser todo lo que se necesita.

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