El Enfriamiento De Las Excitaciones Conduce A Un Nuevo Estado De La Materia

Los excitones se autoorganizan en una matriz ordenada

Los excitones se autoorganizan en una matriz ordenada que parece un collar de perlas en miniatura.

Un artículo recientemente publicado detalla los hallazgos realizados por los físicos al medir la coherencia y el giro de los excitones en un sistema refrigerado. El equipo descubrió que las medidas de polarización mostraban que había una fuerte correlación entre la coherencia y la polarización.

Los físicos de la Universidad de California en San Diego han descubierto patrones que subyacen a las propiedades de un nuevo estado de la materia.

En un artículo publicado en la edición del 29 de marzo de la revista Nature, los científicos describen la aparición de “coherencia espontánea”, “texturas de espín” y “singularidades de fase” cuando los excitones, los pares ligados de electrones y huecos que determinan las propiedades ópticas de semiconductores y les permiten funcionar como nuevos dispositivos optoelectrónicos: se enfrían hasta casi cero absoluto . Este enfriamiento conduce a la producción espontánea de un nuevo estado coherente de la materia que los físicos finalmente pudieron medir con gran detalle en su laboratorio del sótano en UC San Diego a una temperatura de solo una décima de grado por encima del cero absoluto.

El descubrimiento de los fenómenos que subyacen a la formación de la coherencia espontánea de los excitones sin duda producirá una mejor comprensión científica de este nuevo estado de la materia. También agregará nuevos conocimientos sobre las extravagantes propiedades cuánticas de la materia y, con el tiempo, conducirá al desarrollo de dispositivos informáticos novedosos y otras aplicaciones comerciales en el campo de la optoelectrónica, donde se necesita comprender las propiedades básicas de la luz y la materia.

El equipo de investigación estaba dirigido por Leonid Butov, profesor de física en UC San Diego, quien en 2002 descubrió que los excitones, cuando se enfrían lo suficiente, tienden a autoorganizarse en una matriz ordenada de gotitas microscópicas, como un collar de perlas en miniatura.

Usando un sistema de refrigeración de última generación, los físicos de UC San Diego pudieron alcanzar temperaturas diez veces más frías que en el esfuerzo anterior, lo que les permitió con un instrumento llamado interferómetro medir la coherencia y el giro de cada perla o cuenta dentro de este collar.

Lo que descubrieron fue que el giro de las partículas de excitón no es homogéneo en el espacio, sino que forma patrones alrededor de estas cuentas, que ellos llaman “texturas de giro”. También descubrieron que un patrón de coherencia espontánea se correlaciona con un patrón de polarización de espín y con singularidades de fase en el gas excitón coherente.

correlación entre la coherencia y la polarización de espín

Los físicos descubrieron una correlación entre la coherencia (a la izquierda) y la polarización de espín (a la derecha) de los excitones.

“Fue una sorpresa ver este patrón”, dijo Alex High, estudiante de posgrado y primer autor del artículo. “Y fue aún más sorprendente que las mediciones de polarización mostraran que había una fuerte correlación entre la coherencia y la polarización”.

“Estamos trabajando tanto en la comprensión de las propiedades básicas de los excitones como en el desarrollo del procesamiento de señales excitónicas”, dijo Butov. “La física de los excitones es interesante en sí misma. Además, es necesario comprender las propiedades básicas de los excitones para construir dispositivos excitónicos en el futuro “.

Los físicos crearon los excitones iluminando con un láser muestras enfriadas de arseniuro de galio, el mismo material semiconductor que se utiliza para fabricar transistores en teléfonos móviles.

La luz expulsa electrones de los orbitales atómicos que normalmente ocupan dentro del material. Y esto crea un electrón “libre” cargado negativamente y un “agujero” cargado positivamente.

La fuerza de atracción eléctrica mantiene a estos dos objetos juntos, como un electrón y un protón en un hidrógeno. átomo . También permite que el excitón exista como una sola partícula en lugar de un electrón y un agujero que no interactúan. Sin embargo, dado que el electrón y el agujero permanecen muy cerca, a veces se aniquilan entre sí en un destello de luz, similar a la aniquilación de materia y antimateria.

Para controlar esta aniquilación, Butov y su equipo separan los electrones y sus agujeros en diferentes estructuras nanométricas llamadas pozos cuánticos. Esto permite la creación de excitones con la vida útil requerida, alrededor de 50 nanosegundos en el experimento.

“Durante ese tiempo, se enfrían, forman condensados ​​y demuestran una interesante física de giro”, dijo High. “Finalmente, el electrón y el agujero se recombinan y la luz vuelve a salir”.

En sus experimentos, los físicos enviaron esa emisión a través de un complejo conjunto de espejos llamado interferómetro, que divide la luz en dos caminos diferentes. Esto les permitió comparar dos regiones separadas espacialmente de la misma muestra, lo que les permitió ver los detalles finos de la coherencia espontánea en los excitones que nunca antes se habían visto.

“Los experimentos anteriores requerían fibra óptica para realizar cualquier tipo de medición óptica en un refrigerador de dilución”, dijo High. “Pero con este equipo, podemos tomar fotografías de los excitones a temperaturas extremadamente bajas”.

“Este es un descubrimiento muy interesante”, agregó. “Hay una física muy rica involucrada”.

Otros miembros del equipo de investigación fueron los estudiantes graduados de UC San Diego Jason Leonard y Aaron Hammack; Michael Fogler, profesor asociado de física en UC San Diego; Alexey Kavokin de la Universidad de Southampton; y Arthur Gossard y Ken Campman del departamento de ciencia de materiales de UC Santa Bárbara. El proyecto de investigación fue apoyado por subvenciones de los EE. UU. Departamento de Energía, National Science Foundation y US Army Research Office.

Imagen: UC San Diego

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