Un “faro de electrones” para una nueva física

Unos científicos han creado un dispositivo que les permite controlar el flujo de electrones a través de un semiconductor utilizando únicamente luz láser.

Este dispositivo se construyó para explorar algunos fenómenos de física fundamental y en especial para observar un comportamiento hasta ahora desconocido, pero también podría abrir nuevas posibilidades para aplicaciones en áreas que combinan la óptica y la electrónica, como la detección, la captación de imágenes y las telecomunicaciones. Un aprovechamiento idóneo de este fenómeno podría ayudar a mejorar la transmisión de señales a través de diversos dispositivos, e incluso a almacenar más información en dichas señales.

El avance es obra de Yiming Gong, Kai Wang y Steven T. Cundiff, los tres de la Universidad de Michigan en Ann Arbor, Estados Unidos.

En los experimentos realizados hasta ahora, Gong, Wang y Cundiff han demostrado que pueden inducir un flujo ordenado de electrones a través de un semiconductor utilizando dos colores de luz diferentes. Al rotar la polarización de los dos campos ópticos (la dirección en la que oscilan las ondas de luz), los investigadores también pudieron controlar la dirección de la corriente de electrones.

«No es así como funcionan las cosas normalmente. Cuando pensamos en el movimiento de electrones a través de un material, se mueven porque se les ha aplicado un campo eléctrico y, concretamente, rebotan y se desplazan por el material. Aquí, usando luz, se pueden dirigir los electrones en una dirección específica sin aplicar un campo eléctrico», explica Cundiff.

Si bien estudios anteriores habían demostrado la capacidad de la luz para hacer fluir electrones por sí sola, esta investigación va un paso más allá y demuestra que la luz hace fluir los electrones en un haz estrecho y en una dirección específica.

La luz ya no solo activa la corriente, sino que también la dirige. Cundiff lo compara con un faro, que va proyectando en todas direcciones un haz de luz gracias a que gira su lámpara. En el caso del nuevo dispositivo, el haz está compuesto de electrones y puede rotarse modificando la polarización de los dos campos ópticos coherentes en fase.

En un nuevo dispositivo creado en la Universidad de Michigan, cuando dos pulsos de láser de diferentes colores (las dos ondas en la parte superior de la imagen) se encuentran, es posible generar un haz de electrones (aquí representados como pequeñas partículas doradas) que fluye en una dirección controlable. Al cambiar los colores del láser, el haz de electrones puede desplazarse en diferentes direcciones, como el haz de un faro. (Ilustración: Yiming Gong)

El fenómeno se basa en la interferencia cuántica, que surge cuando dos colores de luz impulsan diferentes vías de absorción hacia el mismo estado final. La luz transfiere energía al material semiconductor en paquetes discretos o cuantizados (fotones), que movilizan los portadores de carga eléctrica del material.

En el nuevo aparato, la luz incidente es absorbida por dos vías simultáneamente, y estas vías pueden considerarse como ondas superpuestas. Dichas ondas se alinean y se refuerzan mutuamente para los electrones que se mueven en una dirección determinada, pero se anulan entre sí para los electrones que se desplazan en otras direcciones.

Gong, Wang y Cundiff exponen los detalles técnicos de su dispositivo y de lo que puede hacerse con él en la revista académica Physical Review Letters, bajo el título “Directional Photocurrent Generated by Quantum Interference Control”. (Fuente: NCYT de Amazings)