El descubrimiento de la interacción ultrarrápida puede viabilizar dispositivos de información cuántica

En el marco de una investigación publicada en Physical Review Letters, se detectó la transferencia de energía de electrones excitados a la red cristalina a una escala de femtosegundos. Este conocimiento abre el camino hacia el desarrollo de materiales que prolonguen el tiempo de coherencia

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – La energía es información. Y la extensión del lapso de tiempo durante el cual un sistema es capaz de retener energía antes de perderla en el ambiente constituye un objetivo fundamental con miras al desarrollo de la información cuántica. A este intervalo de tiempo se le da el nombre de “tiempo de coherencia”. Y se han venido realizando diversos estudios con el objetivo de retrasar el proceso de decoherencia.

Una investigación a cargo de científicos del Instituto de Física Gleb Wataghin, de la Universidad de Campinas (IFGW-Unicamp), en Brasil, en colaboración con pares del Departamento de Física de la University of Michigan, en Estados Unidos, y del Instituto Avanzado de Nanotecnología de la Sungkyunkwan University, en Corea del Sur, apuntó a entender el proceso de decoherencia a la escala de tiempo de los femtosegundos (10^-15 s). Y un artículo al respecto ha salido publicado en Physical Review Letters.

En el referido estudio, se observaron interacciones entre electrones excitados (excitones) y la vibración de la red cristalina (fonones) a una escala de tiempo de femtosegundos. La aplicación de una técnica revolucionaria de espectroscopía ultrarrápida, que permite obtener una alta resolución temporal y espectral, fue fundamental para el logro de este resultado. La investigación contó con el aporte de la FAPESP en el marco de una Ayuda a la Investigación – Jóvenes Investigadores concedida a Lázaro Aurélio Padilha Junior y de un proyecto realizado mediante una colaboración con la University of Michigan, suscrita en la modalidad SPRINT (São Paulo Researchers in International Collaboration). 

Padilha fue uno de los coordinadores de la investigación, y el posdoctorando Diogo Burigo Almeida, en ese entonces en Michigan, uno de sus autores principales. El proceso experimental se concretó con nanocristales semiconductores dispersos en solución coloidal a temperaturas criogénicas.

“Observamos que cuando se excita el material [a través de la luz], la luz que este emite cambia de color en un tiempo inferior a los 200 femtosegundos. Esto se debe a la interacción de los excitones [electrones excitados] con los fonones [la excitación de la red cristalina]. Los electrones excitados transfieren parte de la energía que recibieron a la red. Esto provoca un cambio de frecuencia y, por ende, un cambio del color de la emisión”, declaró Padilha a Agência FAPESP.

El investigador cree que esta fue la primera vez que se observó ese tipo de fenómeno. “No se lo había observado antes porque el desplazamiento de energía desde los electrones hacia la red es muy pequeño, de 26 milielectronvoltios (26x10^-3 eV), y el tiempo de este proceso es sumamente corto: de menos de 200 femtosegundos (200x10^-15 s). Ya se habían observado fenómenos similares, pero a escalas de tiempo mucho mayores, y ocasionados por otros procesos. Hemos tenido acceso así a relaciones físicas hasta ahora desconocidas”, añadió.

Su grupo de investigación estudia nanomateriales semiconductores con tamaños del orden de entre 1 y 10 nanómetros. Un gran reto es el que indica que, cuando se promueve el crecimiento de estos materiales, cada unidad crece individualmente de manera un tanto distinta a las otras. El resultado de ello es que el rango espectral en el cual el conjunto del material emite luz después de una excitación se ensancha, pues los diversos componentes emiten en frecuencias un poco distintas unas con respecto a otras. De este modo, la luz emitida presenta una definición de color menos precisa. Cuando se aísla una sola partícula, el espectro de la emisión luminosa se angosta, pero el tiempo de detección de la señal se retrasa. Se produce una ganancia de resolución espectral, pero a su vez también una pérdida de resolución temporal.

“Hace cerca de cinco años, empezamos a trabajar con una técnica que, en un conjunto de 1.020 partículas, logra pinzar subconjuntos con algunos miles de partículas idénticas. Esto permitió que llegásemos ahora a una resolución espectral bastante fina, y por eso mismo precisa, y a una resolución temporal también fina. De este modo, obtuvimos la resolución espectral de una partícula única para un conjunto de partículas, y en un tiempo excepcionalmente corto”, dijo Padilha.

Esta solución experimental hizo posible que los investigadores tuviesen acceso a procesos físicos hasta ahora desconocidos, como la interacción ultrarrápida excitón-fonón. Cabe recordar que, en la física de la materia condensada, el fonón es una cuasipartícula asociada a un cuanto de vibración que se propaga por la red cristalina.

No existe una aplicación tecnológica inmediata para los resultados obtenidos. Pero el conocimiento de las interacciones físicas que ocurren a la escala de tiempo de los femtosegundos puede abrir camino para que, en un futuro no muy lejano, se vuelva posible controlar la estructura de materiales de manera tal que los electrones retengan durante más tiempo la energía de los impulsos eléctricos o luminosos que los excitan. Y de este modo, retardar el proceso de “decoherencia” de los sistemas cuánticos.

“El aumento del tiempo de coherencia constituye una cuestión clave para el éxito de dispositivos tales como interruptores ópticos o emisores de fotón único. A decir verdad, lo que se intenta es disminuir a su mínima expresión el desperdicio de energía. Cuando el material cambia de color, esto significa que está perdiendo energía. Descubrimos que esta pérdida es sumamente rápida. Y pretendemos retardarla”, dijo Burigo Almeida.

Puede leerse el artículo intitulado Non-Markovian Exciton-Phonon Interactions in Core-Shell Colloidal Cuantum Dots at Femtosecond Timescales, de A. Liu, D. B. Almeida, W. K. Bae, L. A. Padilha, and S. T. Cundiff, en el siguiente enlace: journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.057403.