Pulsos de luz para controlar una polarización en materiales 3D que parecía imposible

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Un equipo del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO, cerca de Barcelona), junto con colaboradores internacionales, informan esta semana en la revista Nature sobre un nuevo método que logra por primera vez la polarización de valles en materiales gruesos centrosimétricos (simétricos centralmente), sin depender del tipo que sea.

Esta técnica universal puede tener importantes aplicaciones vinculadas al control y análisis de diferentes propiedades de materiales 2D y 3D, lo que a su vez puede permitir el avance de campos de vanguardia como el procesamiento de información y la computación cuántica.

Entender el contexto de este avance no es sencillo y conviene aclarar diversos conceptos. Los electrones dentro de materiales sólidos solo pueden tomar ciertos valores de energía. Los rangos de energía permitidos se denominan “bandas”, y los espacios entre ellos, los rangos no disponibles, se conocen como “bandas prohibidas”. Ambas juntas constituyen la llamada “estructura de banda” del material, una característica única de cada uno.

Cuando los físicos trazan la estructura de las bandas, normalmente ven que las curvas resultantes se parecen a montañas y valles. De hecho, el término técnico para un máximo o mínimo de energía local en las bandas se llama “valle”, y el campo que estudia y explota cómo los electrones en el material cambian de un valle a otro se denomina “valletrónica”.

En la electrónica semiconductora estándar, la carga eléctrica de los electrones es la propiedad más utilizada para codificar y manipular información. Pero estas partículas tienen otras propiedades que también podrían usarse con el mismo propósito, como por ejemplo el valle en el que se encuentran.

Avances en valletrónica

En la última década, el principal objetivo de la valletrónica ha sido alcanzar el control de la población de los valles (también conocido como polarización de los valles) en materiales. Un logro como este podría usarse para crear puertas y bits clásicos y cuánticos, algo que realmente podría impulsar el desarrollo de la computación y el procesamiento de información cuántica.

Hasta ahora, los intentos anteriores presentaban varios inconvenientes. Por ejemplo, la luz utilizada para manipular y cambiar la polarización de los valles tenía que ser resonante, es decir, la energía de sus fotones (las partículas que constituyen la luz) tenía que corresponder exactamente a la energía de la banda prohibida de ese material en particular.

Cualquier pequeña desviación reducía la eficiencia del método, por lo que, dado que cada material tiene sus propias bandas prohibidas, generalizar el mecanismo propuesto parecía algo inalcanzable. Además, este proceso solo se había logrado para estructuras de monocapa (materiales 2D, de solo un átomo de espesor). Esto obstaculizaba su implementación práctica, ya que las monocapas suelen tener un tamaño y una calidad limitados y son difíciles de diseñar.

Nueva técnica universal

Dentro de todo este contexto, el equipo del ICFO dirigido por el profesor ICREA Jens Biegert, en colaboración con investigadores del Instituto Max-Born, el Instituto Max-Planck para la Ciencia de la Luz y el Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid, ha encontrado el nuevo método universal para inducir la polarización de los valles en materiales centrosimétricos y con grosor.

El descubrimiento abre, por tanto, la posibilidad de controlar y manipular la población de los valles sin restricciones respecto al material específico elegido. Al mismo tiempo, el método se puede utilizar para obtener una caracterización más detallada de cristales y materiales 2D.

Historia del descubrimiento

La aventura comenzó con el grupo de Biegert, que inicialmente quería producir experimentalmente polarización de valles usando su particular método en materiales 2D, en línea con lo que había sido demostrado teóricamente en un artículo anterior de algunos miembros del equipo.

Para montar el experimento, hicieron unas pruebas iniciales en disulfuro de molibdeno (MoS₂) grueso, un material grueso está hecho de muchas monocapas apiladas una encima de la otra, con el sorprendente resultado de que vieron indicios de la polarización de los valles.

“Cuando empezamos a trabajar en este proyecto, nuestros colaboradores teóricos nos dijeron que mostrar la polarización de los valles en materiales voluminosos era más bien imposible”, explica otra de las autoras, Julita Poborska.

El equipo teórico también comenta que, al principio, su modelo solamente era adecuado para capas 2D individuales. “A primera vista, parecía que agregar más capas dificultaría la selección de valles específicos en la muestra. Pero después de los primeros resultados experimentales, ajustamos la simulación a materiales gruesos y esta validó las observaciones sorprendentemente bien. Ni siquiera intentamos encajar nada. Simplemente, surgió así”, comenta Misha Ivanov, el líder teórico.

Y al final, “resultó que sí, es posible polarizar los valles de materiales gruesos que sean simétricos centralmente, debido a las condiciones de simetría”, concluye Poborska.

Campo con forma de trébol

Como explica Igor Tyulnev, primer autor del artículo, “nuestro experimento consistió en crear un intenso pulso de luz con una polarización que se adaptaba a esta estructura interna. El resultado fue el llamado campo “trefoil” (un campo en forma de trébol), cuya simetría coincidía con las subredes triangulares que constituyen los materiales hexagonales heteroatómicos”.

Esta coincidencia entre el campo potente y la muestra rompe la simetría espacial y temporal dentro del material y, lo que es más importante, la configuración resultante depende de la orientación del campo trébol con respecto al material.

Por lo tanto, “simplemente rotando el campo de luz incidente, pudimos modular la polarización de los valles”, subraya Tyulnev, un logro importante en este campo y la confirmación de una nueva técnica universal que puede controlar y manipular los valles de electrones en materiales gruesos.

Experimento en tres pasos

El experimento se puede explicar en tres pasos fundamentales: la síntesis del campo trefoil, su caracterización y, finalmente, la producción propiamente dicha de la polarización de los valles.

Los investigadores destacan la precisión increíblemente alta que requirió el proceso de caracterización, ya que el campo trefoil está formado no solo por uno, sino por dos campos ópticos combinados coherentemente.

Uno de ellos tenía que estar polarizado circularmente en una dirección y el otro tenía que ser el segundo armónico del primer haz, polarizado en sentido contrario. Entonces superpusieron estos campos entre sí, de modo que la polarización total en el tiempo trazara la forma de trébol deseada.

Este nuevo método universal “puede utilizarse no solo para controlar las propiedades de una amplia variedad de especies químicas, sino también para caracterizar cristales y materiales 2D”, recalca Tyulnev.

Y Biegert añade: “Nuestro método puede proporcionar un ingrediente importante para diseñar materiales energéticamente eficientes que cuenten con un almacenamiento eficaz de información y una conmutación rápida. Esto aborda la necesidad apremiante de dispositivos de bajo consumo de energía y una mayor velocidad computacional. No puedo prometer que lo que hemos proporcionado sea la solución definitiva, pero probablemente sea una solución dentro de este gran desafío”.