Los investigadores han descubierto que las pilas de materiales bidimensionales forman naturalmente cavidades microscópicas que atrapan la luz y los electrones, alterando el comportamiento cuántico sin necesidad de espejos. Este hallazgo, observado con un nuevo espectroscopio de terahertz, podría permitir nuevas formas de controlar estados cuánticos exóticos. El estudio se publicó en Nature Physics.
Los materiales bidimensionales, valorados por efectos como la superconductividad y el magnetismo exótico, han desconcertado durante mucho tiempo a los científicos que buscan entender y manipular sus propiedades cuánticas. Un equipo liderado por James McIver, profesor asistente de física en la Universidad de Columbia, reveló un mecanismo previamente no visto en estos materiales durante experimentos que se originaron en el Instituto Max Planck para la Estructura y Dinámica de la Materia en Hamburgo, Alemania.
La investigación forma parte del Centro Max Planck-Nueva York sobre Fenómenos Cuánticos No Equilibrio, que involucra colaboraciones con Columbia, el Instituto Flatiron y la Universidad de Cornell. Para sondar los materiales, el equipo desarrolló un espectroscopio de terahertz compacto que reduce las longitudes de onda de la luz de aproximadamente 1 milímetro a 3 micrómetros, permitiendo la observación directa de los movimientos de electrones en muestras delgadas más finas que un cabello humano.
Pruebas iniciales en grafeno descubrieron ondas estacionarias inesperadas formadas por cuasipartículas híbridas de luz-materia conocidas como polaritones plasmónicos. "La luz puede acoplarse a los electrones para formar cuasipartículas híbridas de luz-materia. Estas cuasipartículas se mueven como ondas y, bajo ciertas condiciones, pueden confinarse, al igual que la onda estacionaria en una cuerda de guitarra", explicó Hope Bretscher, investigadora postdoctoral en MPSD y coautora principal.
La idea clave: los bordes de los materiales actúan naturalmente como espejos, creando cavidades que confinan la luz y los electrones. En dispositivos multicapa, estas cavidades —separadas por decenas de nanómetros— permiten que los plasmones interactúen fuertemente. "Hemos encontrado que los propios bordes del material ya actúan como espejos", dijo Gunda Kipp, estudiante de doctorado en MPSD y autora principal.
El equipo, incluyendo a Marios Michael, desarrolló una teoría analítica utilizando parámetros geométricos para predecir las frecuencias de las cuasipartículas y el acoplamiento luz-materia. Esta herramienta podría ayudar a diseñar materiales para fases cuánticas específicas variando factores como la densidad de portadores o la temperatura. "Hemos descubierto una capa oculta de control en materiales cuánticos y abierto un camino para dar forma a las interacciones luz-materia", dijo McIver.
Descrito como serendípico, el descubrimiento abre el camino para aplicaciones más amplias en tecnologías cuánticas. El espectroscopio ahora se está utilizando para explorar otros materiales 2D en Hamburgo y Nueva York.