¿Qué pasaría si pudiéramos crear nuevos materiales simplemente iluminándolos?
Para la mayoría, esto suena a ciencia ficción o alquimia, pero para los físicos que investigan el floreciente campo de la ingeniería de Floquet, este es el objetivo. Mediante un impulso periódico, como la luz, los científicos pueden ‘vestir’ la estructura electrónica de cualquier material, alterando sus propiedades fundamentales, como transformar un semiconductor simple en un superconductor. Si bien la teoría de la física de Floquet se ha investigado desde una audaz propuesta de Oka y Aoki en 2009, solo un puñado de experimentos en la última década han logrado demostrar los efectos de Floquet. Y aunque estos experimentos demuestran la viabilidad de la ingeniería de Floquet, el campo se ha visto limitado por la dependencia de la luz, que requiere intensidades muy altas que casi vaporizan el material, logrando aún así resultados moderados.
Pero ahora, un diverso equipo de investigadores de todo el mundo, co-liderado por el Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa (OIST) y la Universidad de Stanford, ha demostrado un nuevo y potente enfoque alternativo para la ingeniería de Floquet al mostrar que los excitones pueden producir efectos de Floquet de forma mucho más eficiente que la luz. Sus resultados se han publicado ahora 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 2D”, afirma el profesor Keshav Dani de la Unidad de Espectroscopía de Femtosegundos en 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”.
El sistema de espectroscopía de fotoemisión resuelta en el tiempo y el ángulo (TR-ARPES) en OIST, con el co-primer autor del estudio, Xing Zhu, estudiante de doctorado de la Unidad de Espectroscopía de Femtosegundos. Con una fuente de UV extrema de mesa patentada que emite ráfagas a intervalos de femtosegundos (1 fs = un billonésimo de un billonésimo de segundo), este sistema capturó las primeras imágenes reales de excitones, ayudó a esbozar la evolución de los excitones oscuros y ahora ha demostrado la viabilidad de la ingeniería de Floquet excitónica.
© Bogna Baliszewska (OIST)
Vestir materiales cuánticos con la ingeniería de Floquet
La ingeniería de Floquet se ha considerado durante mucho tiempo como un camino para crear materiales cuánticos a la carta a partir de semiconductores convencionales. El principio subyacente a la física de Floquet es relativamente sencillo: cuando un sistema está sujeto a un impulso periódico, una fuerza externa repetitiva, como un péndulo, el comportamiento general del sistema puede ser más rico que las simples repeticiones del impulso. Piense en un columpio: empujar periódicamente a la persona levanta el columpio a mayores alturas, aunque el propio columpio oscile de un lado a otro.
La ingeniería de Floquet aplica este principio al mundo cuántico, donde las líneas entre el tiempo y el espacio se difuminan. En los cristales, como los semiconductores, los electrones ya están sujetos a un potencial periódico, periódico no en el tiempo, sino en el espacio; los átomos están bloqueados en una formación reticular ajustada, confinando los electrones a un nivel de energía específico, o llamada banda, según la estructura atómica periódica específica. Cuando se ilumina el cristal con una frecuencia determinada, se introduce un segundo impulso periódico, ahora en el tiempo, a medida que los fotones electromagnéticos interactúan rítmicamente con los electrones, desplazando las bandas de energía permitidas de los electrones. Al ajustar la frecuencia y la intensidad del impulso de luz periódico, los electrones pueden ocupar nuevas bandas híbridas, alterando a su vez el comportamiento electrónico de todo el sistema y, por lo tanto, las propiedades del material, como las dos notas musicales que se armonizan para formar una tercera nota nueva. Tan pronto como se apaga el impulso de luz, la hibridación termina y los electrones regresan a las bandas de energía permitidas por la estructura cristalina, pero durante la duración de la canción, los investigadores pueden ‘vestir’ los materiales para exhibir comportamientos completamente nuevos.
“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 escala de femtosegundos, para lograr la hibridación. Estos altos niveles de energía tienden a vaporizar el material y los efectos son de corta duración. Por el contrario, la ingeniería de Floquet excitónica requiere intensidades mucho más bajas”.
Los excitones se forman en los semiconductores cuando los electrones individuales se excitan de su estado ‘de reposo’ (la banda de valencia) a un nivel de energía más alto (la banda de conducción), generalmente por fotones. El electrón cargado negativamente deja atrás un agujero cargado positivamente en la banda de valencia, y el par electrón-agujero forma una cuasipartícula bosónica que dura hasta que el electrón finalmente regresa a la banda de valencia, emitiendo luz. “Los excitones transportan energía auto-oscilante, 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 mucha menos luz para crear una población de excitones lo suficientemente densa como para servir como un impulso periódico eficaz para la hibridación, lo que es lo que ahora hemos observado”, explica el coautor, el profesor Gianluca Stefanucci de la Universidad de Roma Tor Vergata.
Normalmente, los niveles de energía de los electrones en semiconductores atómicamente delgados forman una curva suave (o banda) cuando se trazan en función de los niveles de momento cristalino (k), con un pico distinto en el medio, como se ve en el gráfico más a la derecha. Un indicador clave de la hibridación de Floquet es un aplanamiento de este pico en una forma similar a un sombrero mexicano, también llamada joroba de camello, como se ve en el gráfico más a la izquierda. Este aplanamiento indica la presencia de una segunda banda superpuesta que es invisible ya que los electrones no pueden ocupar el mismo punto en el espacio de momento. Sin embargo, estas ‘bandas fantasma’ influyen en las bandas de valencia y conducción visibles, forzándolas hacia abajo en el medio. Esto se ve claramente en la condición de alta densidad de excitones, con la fuerza del efecto disminuyendo con la densidad de excitones. La dispersión similar a un sombrero mexicano también está presente, pero solo es visible débilmente, en la condición impulsada ópticamente.
© Pareek et al., 2026
