Si se trata de comprender los fenómenos climáticos, no sirve de mucho observar el comportamiento de las gotas de agua o moléculas de aire individuales. En cambio, los meteorólogos y también los legos hablan de nubes, vientos y precipitaciones, objetos que resultan de la interacción compleja.entre partículas pequeñas. Los físicos que se ocupan de las propiedades ópticas o de la conductividad de los sólidos utilizan el mismo enfoque. Una vez más, las partículas pequeñas electrones y átomos son responsables de una multitud de fenómenos, pero una imagen iluminadora solo surge cuando muchos de ellosse agrupan en "cuasipartículas"
Sin embargo, descubrir con precisión qué cuasipartículas surgen dentro de un material y cómo se influyen entre sí no es una tarea simple, sino más bien como un gran rompecabezas cuyas piezas encajan, poco a poco, a través de una ardua investigación. En una combinación de investigación experimentaly estudios teóricos, Ataç Imamoglu y sus colaboradores en el Instituto de Electrónica Cuántica en el ETH en Zurich ahora han logrado encontrar una nueva pieza del rompecabezas, que también ayuda a colocar una pieza previamente mal colocada en su posición correcta.
Excitones y polarones
En sólidos, las cuasipartículas se pueden crear, por ejemplo, cuando se absorbe un fotón. La energía motriz de los electrones que rebosan en un sólido solo puede tomar valores dentro de rangos bien definidos conocidos como bandas. Un fotón puede promover un electrón desde un nivel bajo- apoyándose en una banda de energía elevada, dejando así un "agujero" en la banda inferior.
El electrón excitado y el agujero resultante se atraen entre sí a través de la fuerza electrostática de Coulomb, y si esa atracción es lo suficientemente fuerte, el par electrón-agujero puede verse como una cuasipartícula: nace un "excitón". Dos electrones y unel agujero puede unirse para formar un trión. Sin embargo, cuando los excitones y una gran cantidad de electrones libres están presentes simultáneamente, la descripción de las propiedades cualitativamente nuevas o "emergentes" del material requiere la introducción de un nuevo tipo de cuasipartículas llamadasFermi polarons.
cuasipartículas en un semiconductor
Imamoglu y sus colegas querían descubrir la naturaleza de las cuasipartículas que aparecen en cierto tipo de semiconductores en los que los electrones solo pueden moverse en dos dimensiones. Para ello, tomaron una sola capa de diselenuro de molibdeno que es mil veces más delgado queun micrómetro y lo intercaló entre dos discos de nitruro de boro. Luego agregaron una capa de grafeno para aplicar un voltaje eléctrico con el que se podía controlar la densidad de electrones en el material. Finalmente, todo se colocó entre dos espejos que formaban uncavidad óptica.
Con esta compleja configuración experimental, los físicos en Zurich ahora podrían estudiar en detalle qué tan fuerte es el material que absorbe la luz en diferentes condiciones. Descubrieron que cuando la estructura de semiconductores se excita ópticamente, se forman Fermi-polarones, y no, como se pensaba anteriormente, excitaciones o triones. "Hasta ahora, los investigadores, incluido yo mismo, hemos malinterpretado los datos disponibles en ese momento a ese respecto", admite Imamoglu. "Con nuestros nuevos experimentos ahora podemos rectificar esa imagen".
esfuerzo en equipo con un científico invitado
"Este fue un esfuerzo de equipo con contribuciones esenciales del profesor de Harvard Eugene Demler, quien colaboró con nosotros durante varios meses cuando era miembro de ITS", dice Meinrad Sidler, estudiante de doctorado en el grupo Imamoglus. Desde 2013, el Instituto de TeoríaLos estudios ITS de la ETH se han esforzado por fomentar la investigación interdisciplinaria en la intersección entre las matemáticas, la física teórica y la informática. En particular, quiere facilitar la investigación impulsada por la curiosidad con el objetivo de encontrar las mejores ideas en lugares inesperados.
El estudio de Imamoglu y sus colegas, ahora publicado en " Física de la naturaleza , "es un buen ejemplo de cómo este principio puede tener éxito. En su propia investigación, Eugene Demler trata con átomos ultrafríos, estudiando cómo se comportan las mezclas de átomos bosónicos y fermiónicos". Su visión de los polarones en gases atómicos y sólidos ha dadonuestra investigación impulsos importantes e interesantes, que tal vez no hayamos encontrado por nuestra cuenta ", dice Imamoglu.
superconductividad inducida por la luz
Las ideas que han reunido probablemente mantendrán a Imamoglu y sus colaboradores ocupados durante algún tiempo, ya que las interacciones entre las partículas bosónicas como los excitones y las fermiónicas electrones son el tema de un gran proyecto de investigación para el que ganó ImamogluEl año pasado recibió una Subvención Avanzada del Consejo Europeo de Investigación ERC y también cuenta con el apoyo del Centro Nacional de Competencia en Investigación de Ciencia y Tecnología Cuántica NCCR QSIT. Una mejor comprensión de tales mezclas tendría implicaciones importantes para la investigación básica, perotambién atraen aplicaciones interesantes. Por ejemplo, un objetivo clave del proyecto ERC es la demostración del control de la superconductividad utilizando láseres.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por ETH Zúrich . Original escrito por Oliver Morsch. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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