La idea podría sonar a ciencia ficción, pero se encuentra en el corazón de un área emergente de la física conocida como ingeniería de Floquet. Los investigadores en este campo estudian cómo las influencias repetitivas, como la luz cuidadosamente modulada, pueden remodelar temporalmente el comportamiento de los electrones dentro de un material. Cuando esto ocurre, una sustancia familiar como un semiconductor puede adquirir brevemente propiedades inusuales, incluso comportamientos normalmente asociados con los superconductores.
Aunque la teoría básica de la física de Floquet se remonta a una propuesta de 2009 de Oka y Aoki, la evidencia experimental ha sido difícil de obtener. Solo un pequeño número de experimentos en la última década han demostrado con éxito efectos de Floquet claros. Una de las principales limitaciones ha sido la necesidad de luz extremadamente intensa. Estos altos niveles de energía casi destruyen el material, produciendo a la vez cambios modestos.
Los excitones ofrecen una alternativa más eficiente
Ahora, los investigadores han identificado una nueva vía prometedora para lograr efectos de Floquet sin depender de condiciones de luz tan extremas. Un equipo global liderado 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 por sí sola. Sus hallazgos fueron publicados en Nature Physics.
“Los excitones se acoplan mucho más fuertemente al material que los fotones debido a la fuerte interacción de Coulomb, particularmente en materiales bidimensionales”, explica el profesor Keshav Dani, de la Unidad de Espectroscopía de Femtosegundos del OIST. “Y, por lo tanto, pueden lograr fuertes efectos de Floquet evitando los desafíos que plantea la luz. Con esto, tenemos una nueva vía potencial hacia los dispositivos y materiales cuánticos exóticos que promete la ingeniería de Floquet.”
Este enfoque apunta a una nueva ruta para controlar los materiales cuánticos, al tiempo que se reduce el riesgo de daños.
Cómo la ingeniería de Floquet modifica los materiales cuánticos
La ingeniería de Floquet se ha considerado durante mucho tiempo como una forma posible 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 repetitiva, su respuesta puede volverse más compleja que la repetición en sí. Un ejemplo sencillo es un columpio, donde los empujones cronometrados hacen que el columpio se eleve más alto, aunque el movimiento siga 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 a 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 en el tiempo. A medida que los fotones interactúan rítmicamente con los electrones, las bandas de energía permitidas se desplazan.
Ajustando cuidadosamente la frecuencia y la intensidad de la luz, los electrones pueden ocupar temporalmente nuevas bandas de energía híbridas. 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 vestir eficazmente los materiales con nuevos comportamientos cuánticos.
Por qué los enfoques basados en la luz son insuficientes
“Hasta ahora, la ingeniería de Floquet ha sido sinónimo de impulsos de luz”, afirma Xing Zhu, estudiante de doctorado en OIST. “Pero, si bien estos sistemas han sido fundamentales para demostrar la existencia de los efectos de Floquet, la luz se acopla débilmente a la materia, lo que significa que se requieren frecuencias muy altas, a menudo a la escala de femtosegundos, para lograr la hibridación. Tales altos niveles de energía tienden a vaporizar el material, y los efectos son de corta duración. En contraste, la ingeniería de Floquet excitónica 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 energía más alto en la banda de conducción. Este proceso deja atrás un agujero con carga positiva. El electrón y el agujero permanecen unidos como una cuasipartícula de corta duración hasta que el electrón vuelve a caer y emite luz.
Debido a que los excitones se originan en los propios electrones del material, interactúan mucho más fuertemente con la estructura circundante que la luz externa. También transportan energía oscilante de su excitación inicial, lo que influye en los electrones cercanos a frecuencias ajustables.
“Los excitones transportan energía autooscilante, impartida por la excitación inicial, que impacta a los electrones circundantes en el material a frecuencias ajustables. Debido a que los excitones se crean a partir de los electrones del propio material, se acoplan mucho más fuertemente al material que la luz. Y, crucialmente, se necesita significativamente menos luz para crear una población de excitones lo suficientemente densa como para servir como un impulso periódico eficaz para la hibridación, que es lo que ahora hemos observado”, explica el coautor, el profesor Gianluca Stefanucci de la Universidad de Roma Tor Vergata.
Capturando el efecto con espectroscopía avanzada
Este avance se basa en años de investigación de excitones en OIST y en el desarrollo de un potente sistema TR-ARPES (espectroscopía 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 impulso óptico (es decir, de luz) fuerte 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. Esta sincronización les permitió aislar la contribución excitónica.
“Los experimentos hablaron por sí solos”, afirma la Dra. Vivek Pareek, graduada de OIST y ahora becaria postdoctoral presidencial en el Instituto de Tecnología de California. “Nos tomó decenas de horas de adquisición de datos observar réplicas de Floquet con luz, pero solo alrededor de dos para lograr Floquet excitónico, y con un efecto mucho más fuerte.”
Hacia el diseño práctico de materiales cuánticos
Los resultados muestran que los efectos de Floquet no se limitan a las técnicas basadas en la luz. También se pueden generar de forma fiable utilizando otras partículas bosónicas además de los fotones. La ingeniería de Floquet excitónica requiere mucha menos energía que los métodos ópticos y abre la puerta a un conjunto más amplio de herramientas.
En principio, efectos similares podrían lograrse utilizando fonones (utilizando vibración acústica), plasmones (utilizando electrones de libre circulación), magnones (utilizando campos magnéticos) y otras excitaciones. En conjunto, estas posibilidades acercan la ingeniería de Floquet a su uso práctico y a la creación fiable de nuevos materiales y dispositivos cuánticos.
“Hemos abierto las puertas a la física de Floquet aplicada”, concluye el coautor principal del estudio, el Dr. David Bacon, ex investigador de OIST y ahora en la University College London. “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.”
