Identifican partículas atrapadas en materiales 2D, fundamentales para el diseño de computadores cuánticos

Investigadores del Instituto de Ciencia de los Materiales de la Universitat de València (ICMUV) han contribuido a detectar excitones –partículas responsables de la interacción entre luz y materia– atrapados en materiales 2D que forman patrones de muaré, uno de los retos científicos en este campo. El hallazgo, publicado en Nature Materials, supone un paso adelante hacia el diseño de nuevos materiales para la próxima generación de dispositivos aplicables al ordenador cuántico.

En los últimos años existe un creciente interés por encontrar alternativas al uso del electrón en el transporte de información, con el objetivo de incrementar la eficiencia de los dispositivos. Por ejemplo, la espintrónica se basa en el estudio del espín –el momento magnético del electrón– como sustituto del electrón. Más recientemente, la llegada de materiales 2D como el grafeno o semiconductores como los dicalcogenuros de metales de transición ha abierto la posibilidad de utilizar otras partículas, como el excitón, compuesto de un par electrón-hueco y sin carga eléctrica, con un gran potencial para la computación cuántica.

Los excitones tienen propiedades extraordinarias; existen en materiales semiconductores y sus propiedades son especialmente relevantes en materiales 2D, de apenas unos pocos átomos de espesor. En concreto, pueden almacenar información sobre el espín y ser manipulados ópticamente mediante el uso de láseres. Identificarlos es importante para avanzar en el uso de materiales 2D en nuevas aplicaciones optoelectrónicas.

Alejandro Molina, investigador Ramón y Cajal en la unidad de Materiales y Dispositivos Optoelectrónicos del ICMUV, ha contribuido con teoría y simulaciones, realizadas en el superordenador Tirant de la Universitat de València, a detectar los llamados excitones intercapa, que se encuentran atrapados por la interacción de dos láminas de átomos de dicalcogenuros de metales en transición (TMD), y que apilados con un pequeño giro forman un patrón de muaré (*1).

Los patrones de muaré afectan a las propiedades de los materiales y dan lugar a un nuevo material cuántico con propiedades totalmente distintas a las de aquellos que lo componen. Conseguir patrones de muaré de forma controlada e identificarlos es un reto científico, ya que su capacidad para obtener propiedades extraordinarias convierte a este fenómeno físico en una rica caja de herramientas para la optoelectrónica.

“Los excitones atrapados en patrones atómicos de muaré son muy prometedores para el diseño de nuevos materiales cuánticos, y las investigaciones sobre sus propiedades fundamentales son cruciales para futuros desarrollos en este campo”, explican Mauro Brotons-Gisbert y Brian D. Gerardot, investigadores en el Laboratorio de Fotónica Cuántica de la Heriot-Watt University (Edimburgo, UK) e investigadores principales del proyecto.

“Entender las nuevas propiedades físicas en los patrones de muaré supone un nuevo reto para la Ciencia de Materiales, y aquí es fundamental el trabajo teórico y de simulación”, añade Alejandro Molina.

El estudio publicado en Nature Materials ayuda a comprender las propiedades de los excitones ligados a patrones de muaré. El control del espín de los excitones es útil para aplicaciones que combinen la fotónica y la espintrónica, como la realización y control de qubits –la unidad básica de información del ordenador cuántico– utilizando medios ópticos.

(*1) El muaré es un efecto geométrico de distorsión ocasionado por la interferencia de dos patrones de trama, situados uno encima del otro. El resultado es un nuevo patrón con una periodicidad más grande que la de los patrones individuales que lo forman, y que da lugar a un efecto visual singular. El nombre se tomó prestado del término francés moiré, con el que se denomina a un tipo de tejido de seda que posee un efecto visual parecido debido a su composición a base de patrones de líneas. 

Referencia bibliográfica

Mauro Brotons-Gisbert, Hyeonjun Baek, Alejandro Molina-Sánchez, Aidan Campbell, Eleanor Scerri, Daniel White, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Cristian Bonato & Brian D. Gerardot. Nature Materials. Spin–layer locking of interlayer excitons trapped in moiré potentials. Nature.

Fuente: UV







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