Científicos logran manipular excitones mediante ondas acústicas

Este resultado permite controlar exteriormente la emisión de luz de estados cuánticos en semiconductores bidimensionales

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – Los excitones son cuasipartículas compuestas comúnmente por un electrón y un hueco, es decir, la ausencia de un electrón en la estructura del material. El electrón y el hueco interactúan y forman un estado ligado, que es como si se hubiese creado artificialmente un átomo de hidrógeno en el material. Puede producirse un excitón ópticamente con láser, y puede leerse su estado cuántico también ópticamente, con base en la detección de la luz que el mismo emite cuando el electrón y el hueco se recombinan.

El fotón emitido carga información sobre el espín y el momento angular orbital de los excitones. En analogía con los circuitos electrónicos, es posible imaginar circuitos con excitones en los cuales la información se codifica en el estado cuántico de esas cuasipartículas y el manipuleo de dicha información se concreta mediante la aplicación de campos eléctricos y magnéticos.

Un estudio realizado en el Instituto de Física Gleb Wataghin de la Universidad de Campinas (IFGW-Unicamp), en el estado de São Paulo, Brasil, tuvo éxito al manipular excitones mediante ondas acústicas, y constituyó el tema de un artículo publicado en la revista ACS Nano, referente en el área de nanotecnología.

Este trabajo es el resultado del proyecto intitulado “Modulación óptica de sistemas nanoestructurados mediante la aplicación de ondas acústicas de superficies”, a cargo de Odilon Couto Júnior, docente del IFGW y coordinador del estudio. Y es el principal resultado del proyecto doctoral del alumno Diego Scolfaro, dirigido el profesor Couto Júnior. También firman el artículo el profesor Fernando Iikawa, del IFGW, e investigadores de la Universidad Federal de Minas Gerais (UFMG), de la Universidad Federal de Ceará (UFC) y del Paul Drude Institut (PDI), de Alemania.

El proyecto contó con financiación de la FAPESP en la modalidad de Apoyo a Jóvenes Investigadores, lo que hizo posible el montaje de un laboratorio de espectroscopía óptica modulada por ondas acústicas. Asimismo, participan como autores del artículo dos beneficiarios de becas de iniciación a la investigación científica de la Fundación (expedientes 18/18091-6 y 19/13654-5), Matheus Finamor y Luca Trinchão. 

Los investigadores utilizaron un material semiconductor cuasibidimensional, formado por una única capa de átomos de diseleniuro de molibdeno (MoSe₂), una sustancia conocida por sus fuertes emisiones a temperatura ambiente, en la franja del espectro electromagnético correspondiente a la luz visible.

“Uno de los intereses en este tipo de material es la fuerte interacción entre electrones y huecos, que permite que emitan luz con eficiencia a temperatura ambiente, a diferencia de lo que sucede con otras nanoestructuras semiconductoras. Por otra parte, precisamente por el hecho de que la interacción excitónica es tan fuerte, el manipuleo eficiente de los estados excitónicos se vuelve bastante difícil”, le dice Couto Júnior a Agência FAPESP.

En este trabajo, los investigadores utilizaron ondas acústicas de superficie para demostrar, en carácter de prueba de concepto, una posibilidad alternativa de manipular dos tipos de excitones en este tipo de materiales 2D: excitones neutros, es decir, cada uno compuesto por un electrón y un hueco, y triones, cada uno compuesto por dos electrones y un hueco.

“Las ondas acústicas de superficie no son otra cosa que deformaciones mecánicas que se generan en una dirección definida del material. Cargan un campo piezoeléctrico, que puede utilizarse para manipular y modular las interacciones excitónicas, de manera tal de controlar la tasa y la energía de la emisión de luz”, informa Couto Júnior.

La piezoelectricidad es la capacidad que poseen algunos materiales para generar tensión eléctrica como respuesta a la presión mecánica.

“Aparte de manipular la emisión excitónica, la onda acústica permite también romper los excitones y crear entonces un sistema on-off: sin onda acústica, se produce la emisión de luz; con onda acústica, la emisión se aborta”, añade el investigador.

Couto Júnior comenta que una vez roto el excitón, la onda transporta al electrón y al hueco, que se recombinan más adelante. Y subraya que, al controlarse todos los parámetros de la onda, algo relativamente sencillo, se vuelve posible manipular los excitones en el material de una manera más previsible.

“Uno de los resultados que obtuvimos consistió en determinar experimentalmente algunos parámetros que aún no se habían reportado en la literatura, tales como la polarizabilidad eléctrica de excitones y triones en monocapas de MoSe₂”, dice.

Puede accederse a la lectura completa del artículo Acoustically Driven Stark Effect in Transition Metal Dichalcogenide Monolayers en el siguiente enlace: pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c06854#.