Los conocimientos de la física cuántica han permitido a los ingenieros incorporar componentes utilizados en placas de circuitos, fibras ópticas y sistemas de control en nuevas aplicaciones que van desde teléfonos inteligentes hasta microprocesadores avanzados. Pero, incluso con el progreso significativo logrado en los últimos años, los investigadores todavía están buscando nuevosy mejores formas de controlar las propiedades electrónicas excepcionalmente poderosas de los materiales cuánticos.
Un nuevo estudio de investigadores de Penn encontró que los semimetales de Weyl, una clase de materiales cuánticos, tienen estados cuánticos masivos cuyas propiedades eléctricas se pueden controlar con luz. El proyecto fue dirigido por Ritesh Agarwal y el estudiante graduado Zhurun Ji en la Escuela de Ingeniería yApplied Science en colaboración con Charles Kane, Eugene Mele y Andrew M. Rappe en la Escuela de Artes y Ciencias, junto con Zheng Liu de la Universidad Tecnológica de Nanyang. Zachariah Addison de Penn, Gerui Liu, Wenjing Liu y Heng Gao, y Peng de NanyangYu, también contribuyó al trabajo. Sus hallazgos fueron publicados en Materiales naturales .
Un indicio de estas propiedades fotogalvánicas no convencionales, o la capacidad de generar corriente eléctrica usando luz, fue reportado por primera vez por Agarwal en silicio. Su grupo pudo controlar el movimiento de la corriente eléctrica cambiando la quiralidad, o la simetría inherente de ladisposición de átomos de silicio, en la superficie del material.
"En ese momento, también estábamos tratando de comprender las propiedades de los aislantes topológicos, pero no pudimos probar que lo que estábamos viendo provenía de esos estados de superficie únicos", explica Agarwal.
Luego, mientras realizaban nuevos experimentos con semimetales de Weyl, donde existen estados cuánticos únicos en la mayor parte del material, Agarwal y Ji obtuvieron resultados que no coincidían con ninguna teoría que pudiera explicar cómo se movía el campo eléctrico cuando se activaba con la luzEn lugar de que la corriente eléctrica fluya en una sola dirección, la corriente se movió alrededor del semimetal en un patrón circular arremolinado.
Agarwal y Ji recurrieron a Kane y Mele para que les ayudaran a desarrollar un nuevo marco teórico que pudiera explicar lo que estaban viendo. Después de realizar experimentos nuevos y extremadamente completos para eliminar iterativamente todas las demás explicaciones posibles, los físicos pudieron reducir las posibles explicaciones auna sola teoría relacionada con la estructura del haz de luz.
"Cuando se ilumina la materia, es natural pensar en un rayo de luz como lateralmente uniforme", dice Mele. "Lo que hizo que estos experimentos funcionaran es que el rayo tiene un límite, y lo que hizo que la corriente circulecon su comportamiento en el borde de la viga. "
Utilizando este nuevo marco teórico e incorporando los conocimientos de Rappe sobre los niveles de energía de los electrones dentro del material, Ji pudo confirmar los movimientos circulares únicos de la corriente eléctrica. Los científicos también encontraron que la dirección de la corriente se podía controlar cambiando la luzestructura del haz, como cambiar la dirección de su polarización o la frecuencia de los fotones.
"Anteriormente, cuando las personas hacían mediciones optoelectrónicas, siempre asumían que la luz es una onda plana. Pero rompimos esa limitación y demostramos que no solo la polarización de la luz, sino también la dispersión espacial de la luz pueden afectar el proceso de interacción luz-materia".dice Ji.
Este trabajo permite a los investigadores no solo observar mejor los fenómenos cuánticos, sino que también proporciona una forma de diseñar y controlar propiedades cuánticas únicas simplemente cambiando los patrones del haz de luz ". La idea de que la modulación de la polarización e intensidad de la luz puede cambiar la forma en que una carga eléctricase transporta podría ser una idea de diseño poderosa ", dice Mele.
El desarrollo futuro de materiales "fotónicos" y "espintrónicos" que transfieren información digitalizada basada en el giro de fotones o electrones respectivamente también es posible gracias a estos resultados. Agarwal espera expandir este trabajo para incluir otros patrones de haz óptico, como"luz retorcida", que podría usarse para crear nuevos materiales de computación cuántica que permitan codificar más información en un solo fotón de luz.
"Con la computación cuántica, todas las plataformas están basadas en la luz, por lo que el fotón es el portador de la información cuántica. Si podemos configurar nuestros detectores en un chip, todo se puede integrar y podemos leer el estado de lafotón directamente ", dice Agarwal.
Agarwal y Mele enfatizan el esfuerzo "heroico" realizado por Ji, incluidas las mediciones de un año adicional realizadas mientras realizaban un conjunto completamente nuevo de experimentos que fueron cruciales para la interpretación del estudio. "Rara vez he visto a un estudiante graduado enfrentarse aese desafío que fue capaz no solo de superarlo, sino de dominarlo. Tuvo la iniciativa de hacer algo nuevo y lo logró ", dice Mele.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Pennsylvania . Original escrito por Erica K. Brockmeier. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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