Esa idea puede parecer una fantasía, pero se encuentra en el corazón de un área emergente de la física conocida como ingeniería Floquet. Los investigadores en este campo estudian cómo las influencias repetidas, como la luz cuidadosamente sintonizada, pueden remodelar temporalmente la forma en que se comportan los electrones dentro de un material. Cuando esto sucede, una sustancia familiar como un semiconductor puede adquirir brevemente propiedades inusuales, incluidos comportamientos normalmente asociados con los superconductores.
Aunque la teoría básica detrás de la física de Floquet se remonta a una propuesta de 2009 de Oka y Aoki, la prueba experimental ha sido difícil. Sólo un pequeño número de experimentos realizados durante la última década han demostrado con éxito efectos claros de Floquet. Una limitación importante ha sido la necesidad de una luz extremadamente intensa. Estos altos niveles de energía están cerca de destruir el material y al mismo tiempo producen sólo cambios modestos.
Los excitones ofrecen una alternativa más eficiente
Los investigadores ahora han identificado una nueva y prometedora forma de lograr efectos Floquet sin depender de condiciones de luz tan extremas. Un equipo global dirigido por el Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa (OIST) y la Universidad de Stanford ha demostrado que los excitones pueden impulsar estos efectos de manera mucho más eficiente que la luz sola. Sus hallazgos fueron publicados en Nature Physics.
«Los excitones se acoplan mucho más fuerte al material que los fotones debido a la fuerte interacción de Coulomb, particularmente en materiales 2D», dice el profesor Keshav Dani de la Unidad de Espectroscopía de Femtosegundos de OIST, «y por lo tanto pueden lograr fuertes efectos Floquet evitando los desafíos que plantea la luz. Con esto, tenemos un nuevo camino potencial hacia los exóticos futuros dispositivos y materiales cuánticos que promete la ingeniería Floquet».
Este enfoque apunta a una nueva ruta para controlar los materiales cuánticos y al mismo tiempo reducir el riesgo de daños.
Cómo la ingeniería Floquet cambia los materiales cuánticos
La ingeniería de floquetos se considera desde hace tiempo una posible forma de crear materiales cuánticos personalizados a partir de semiconductores ordinarios. La idea se basa en un principio físico familiar. Cuando un sistema experimenta una influencia repetida, su respuesta puede volverse más compleja que la repetición misma. Un ejemplo simple es un columpio en un patio de juegos, donde los empujones sincronizados hacen que el columpio se eleve más aún cuando el movimiento sigue siendo rítmico.
En los materiales cuánticos, los electrones ya experimentan una estructura repetitiva porque los átomos están dispuestos en una red cristalina ordenada. Esta repetición espacial restringe los electrones a niveles de energía específicos, conocidos como bandas. Cuando la luz con una frecuencia fija interactúa con el cristal, introduce una segunda influencia repetitiva que se desarrolla con el tiempo. A medida que los fotones interactúan rítmicamente con los electrones, las bandas de energía permitidas cambian.
Al ajustar cuidadosamente la frecuencia e intensidad de la luz, los electrones pueden ocupar temporalmente nuevas bandas de energía híbrida. Estos cambios afectan la forma en que los electrones se mueven e interactúan, lo que altera las propiedades generales del material. Cuando se apaga la luz, el material vuelve a su estado original. Sin embargo, durante la interacción, los investigadores pueden dotar eficazmente a los materiales de nuevos comportamientos cuánticos.
Por qué los enfoques basados en la luz se quedan cortos
«Hasta ahora, la ingeniería de Floquet ha sido sinónimo de accionamientos ligeros», afirma Xing Zhu, estudiante de doctorado en OIST. «Pero si bien estos sistemas han sido fundamentales para demostrar la existencia de los efectos Floquet, la luz se acopla débilmente a la materia, lo que significa que se requieren frecuencias muy altas, a menudo en la escala de femtosegundos, para lograr la hibridación. Niveles de energía tan altos tienden a vaporizar el material, y los efectos son de muy corta duración. Por el contrario, la ingeniería excitónica de Floquet requiere intensidades mucho más bajas».
Este desafío ha ralentizado el progreso hacia aplicaciones prácticas.
Qué son los excitones y por qué son importantes
Los excitones se forman dentro de los semiconductores cuando los electrones absorben energía y saltan de su estado de reposo en la banda de valencia a un estado de mayor energía en la banda de conducción. Este proceso deja un agujero cargado positivamente. El electrón y el hueco permanecen unidos como una cuasipartícula de vida corta hasta que el electrón retrocede y emite luz.
Como los excitones se originan a partir de los propios electrones del material, interactúan mucho más fuertemente con la estructura circundante que la luz externa. También transportan energía oscilante desde su excitación inicial, que influye en los electrones cercanos a frecuencias ajustables.
«Los excitones transportan energía autooscilante, impartida por la excitación inicial, que impacta los electrones circundantes en el material a frecuencias sintonizables. Debido a que los excitones se crean a partir de los electrones del propio material, se acoplan mucho más fuertemente con el material que la luz. Y lo más importante, se necesita mucha menos luz para crear una población de excitones lo suficientemente densa como para servir como un impulso periódico efectivo para la hibridación, que es lo que hemos observado ahora», explica el coautor del estudio, el profesor Gianluca Stefanucci. Universidad de Roma Tor Vergata.
Capturando el efecto con espectroscopía avanzada
Este avance se basa en años de investigación de excitones en OIST y el desarrollo de un potente sistema TR-ARPES (espectroscopia de fotoemisión resuelta en tiempo y ángulo).
Para separar los efectos de la luz de los de los excitones, el equipo estudió un semiconductor atómicamente delgado. Primero aplicaron un potente impulso óptico (es decir, luz) para observar directamente los cambios en la estructura de la banda electrónica, confirmando el comportamiento esperado de Floquet. Luego redujeron la intensidad de la luz en más de un orden de magnitud y midieron la respuesta electrónica 200 femtosegundos después. Este momento les permitió aislar la contribución excitónica.
«Los experimentos hablaron por sí solos», dice el Dr. Vivek Pareek, graduado de OIST que ahora es becario postdoctoral presidencial en el Instituto de Tecnología de California. «Nos llevó decenas de horas de adquisición de datos observar las réplicas de Floquet con luz, pero sólo unas dos horas para lograr Floquet excitónico, y con un efecto mucho más fuerte».
Hacia un diseño práctico de materiales cuánticos
Los resultados muestran que los efectos Floquet no se limitan a técnicas basadas en luz. También se pueden generar de forma fiable utilizando otras partículas bosónicas además de los fotones. La ingeniería excitónica de Floquet requiere mucha menos energía que los métodos ópticos y abre la puerta a un conjunto más amplio de herramientas.
En principio, se podrían lograr efectos similares usando fonones (usando vibración acústica), plasmones (usando electrones que flotan libremente), magnones (usando campos magnéticos) y otras excitaciones. Juntas, estas posibilidades acercan la ingeniería de Floquet al uso práctico y a la creación fiable de nuevos materiales y dispositivos cuánticos.
«Hemos abierto las puertas a la física aplicada de Floquet», concluye el coprimer autor del estudio, el Dr. David Bacon, ex investigador de OIST ahora en el University College de Londres, «a una amplia variedad de bosones. Esto es muy emocionante, dado su gran potencial para crear y manipular directamente materiales cuánticos. Todavía no tenemos la receta para esto, pero ahora tenemos la firma espectral necesaria para los primeros pasos prácticos».
