Un nuevo tipo de cuasipartícula, apodada la gota cuántica, o "dropleton" , ha sido identificado por los investigadores de EE.UU. y Alemania. Creado en los semiconductores cuánticos utilizando pulsos de láser ultracortos, el dropleton comprende un pequeño número de electrones y agujeros que están ambos enlazados en una gota de tipo líquido.
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| Este gráfico muestra la correlación entre los electrones y los agujeros en una dropleton. Su estructura se asemeja a la espera de una gotita de líquido. Creditos: Brad Baxley |
Una cuasipartícula es la excitación colectiva dentro de un material que se comporta como una partícula fundamental. Recientemente, los físicos han identificado las cuasipartículas llamadas levitons, orbitons, phonitons e incluso wrinklons, que se producen en los tejidos arrugados como las cortinas .
Electrones y agujeros enlazados
El dropleton está relacionado con la bien conocida cuasipartícula llamad excitón, que se forma cuando un semiconductor absorbe un fotón. Esta acción promueve un electrón de la banda de valencias a la banda de conducción, dejando tras de sí un "agujero" de carga positiva en la banda de valencias. La fuerza electrostática se une el electrón y el agujero juntos para crear un excitón , que se mueve a través de los semiconductores como una partícula .
Se sabe que existen otras más complicadas configuraciones de electrones y agujeros, como el biexciton, que tiene dos electrones y dos agujeros. Las pequeñas gotas de tamaño micrométrico comprenden muchos electrones y agujeros, que también se han visto en los huecos de semiconductores indirectamente, como el germanio y el silicio. Sin embargo, estos se forman por un proceso termodinámico .
Ahora se han creado en un semiconductor gotas inducidas por láser, en un hueco semiconductor directo por Steven Cundiff y sus colegas, de la Universidad de Colorado y el NIST en Boulder, y en la Universidad Philipps en Marburg, Alemania.
La bomba y la sonda
Los investigadores crean sus gotas cuánticas mediante disparos de pulsos láser en pozos cuánticos de arseniuro de galio. Estos son capas 10 nm. de espesor de semiconductores, separadas por un material aislante. Cada pulso "bombea" electrones en la banda de conducción y es seguido por un pulso de "sonda" láser que se utiliza para medir el espectro de absorción de los pozos cuánticos .
En un primer momento, la medición reveló que el bombeo continuo se limitaba a crear más excitones, justo lo que esperábamos. Después de un tiempo, sin embargo, el equipo descubrió que en lugar de emparejar excitones, los electrones y los agujeros formaban configuraciones no emparejadas. El resultado son gotas de carga neutra compuestas típicamente por cerca de cinco electrones y cinco agujeros.
Aumentando la presión
"Esta transición se produce debido a la creciente densidad de los electrones y los agujeros inyectados por los pulsos bombeados", explica Cundiff. Y añade que el aumento del número de electrones y agujeros actúan como pantalla para la atracción electrostática de Coulomb, que normalmente mantiene excitones ligados entre sí. Además, explica que el aumento del número de electrones y agujeros "aumenta la ‘presión’, que en realidad está causada por la naturaleza fermiónica de los electrones y agujeros y el principio de exclusión de Pauli, que a su vez estabiliza la gota cuántica."
Una vez en su nueva disposición, los electrones y los agujeros no se quedan fijos en una configuración rígida. En lugar de ello, son capaces de moverse, igual que las partículas dentro de un líquido. Este es el comportamiento que inspiró al equipo para nombrar la nueva cuasipartícula como dropleton.
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| a, cuasi-partículas esquemáticos en semiconductores de gap directo. Los círculos vacíos, huecos, gris círculos rellenos, electrones. Ver texto para más detalles. b, Espectros de absorción medidos como una función del número de fotones en el pulso de surtidor. |
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| Simulación g(r) de una gotita cuántica que tiene un radio R = 91 nm, n = 4 y ρeh ≡ ρe = ρh = 2,5E10 cm-2. |
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| Traza absorción diferencial registrado a 3 MeV vinculantes energía en función del retardo de la surtidor de prueba |
Mientras las gotas cuánticas pueden no tener aplicaciones prácticas evidentes, los investigadores dicen que su descubrimiento podría mejorar nuestra comprensión de cómo interactúan los electrones en los sólidos, y en última instancia, conducir a mejores dispositivos electrónicos. Incluso con sus cortos tiempos de vida, de aproximadamente 25 ps., las gotas son lo suficientemente estables para ser estudiadas. Cundiff y sus colegas, ahora están trabajando para mejorar su técnica de espectroscopia óptica cuántica, lo cual les permitirá obtener una mejor comprensión del comportamiento de dichas gotas.
Teoría y experimento
Jim Wolfe, físico de la Universidad de Illinois, que no participó en este estudio, dijo que "La existencia de una gota estable de plasma en un foto-excitado arseniuro de galio cuántico, es una idea interesante y novedosa". También elogia al equipo por la combinación de "evidencia experimental y convincente, junto al detallado apoyo teórico".
Patrick Parkinson, de la Universidad de Oxford, a su vez lo considera un descubrimiento importante. "Este trabajo reporta una aplicación muy interesante de su esquema cuántico-espectroscópico, que tanto confirma su utilidad como revela las previamente inexploradas cuasipartículas dentro de un sistema material extremadamente bien estudiado". Parkinson añade que espera que haya más estudios que exploren aún más a fondo las propiedades del dropleton. "En particular , las propiedades derivadas de su función correlacional de par como líquido que probablemente sean de gran interés.".
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