La investigación descubre nuevos métodos de relajación para cuasipartículas exóticas
Los nuevos hallazgos de un equipo de investigadores del MIT y otros lugares podrían ayudar a allanar el camino para nuevos tipos de dispositivos que cierren efectivamente la brecha entre la materia y la luz. Estos podrían incluir chips de computadora que eliminen las ineficiencias inherentes a las versiones actuales y qubits, los componentes básicos de las computadoras cuánticas, que podrían operar a temperatura ambiente en lugar de las condiciones ultra frías necesarias para la mayoría de estos dispositivos.
El nuevo trabajo, basado en intercalar diminutos copos de un material llamado perovskita entre dos superficies reflectantes espaciadas con precisión, se detalla en la revista Nature Communications, en un papel por la recién graduada del MIT Madeleine Laitz PhD ’22, el postdoctorado Dane deQuilettes, los profesores del MIT Vladimir Bulovic, Moungi Bawendi y Keith Nelson, y otros siete.
Al crear estos sándwiches de perovskita y estimularlos con rayos láser, los investigadores pudieron controlar directamente el impulso de ciertas ‘cuasipartículas’ dentro del sistema. Conocidas como pares de excitón-polaritón, estas cuasipartículas son híbridos de luz y materia. Ser capaz de controlar esta propiedad podría eventualmente hacer posible leer y escribir datos en dispositivos basados en este fenómeno.
«Lo que es particularmente fascinante sobre los polaritones de excitón», dice Laitz, es que se encuentran «en un espectro entre sistemas puramente electrónicos y fotónicos». Estas cuasipartículas «tienen características de ambos, por lo que puede aprovechar los polaritones de excitón para utilizar las mejores propiedades de cada uno».
Por ejemplo, los transistores puramente electrónicos, explica, tienen pérdidas inherentes por efectos de capacitancia en cada interfaz entre dispositivos, mientras que «los sistemas puramente fotónicos tienen desafíos de ingeniería, ya que es muy difícil hacer que los fotones interactúen y tienes que confiar en esquemas interferométricos». .En cambio, las cuasipartículas utilizadas por este equipo pueden ser fácilmente controladas por varias variables.
La cuasipartícula es «un estado combinado de luz y carga neutra», dice Bulovic. «Como resultado, puede interrumpir ese estado combinado con luz o carga, y si necesita modular ese estado, tiene palancas adicionales que puede usar. Esas palancas adicionales ahora se pueden usar para manipular ese estado. material combinado en una manera más eficiente energéticamente.
Además, los materiales involucrados se fabrican fácilmente utilizando métodos de procesamiento a temperatura ambiente y basados en soluciones y, por lo tanto, podrían ser relativamente fáciles de producir a escala una vez que se diseñen los sistemas prácticos. Hasta el momento, el trabajo se encuentra en una etapa muy temprana, ya que los investigadores aún están estudiando los efectos recién descubiertos; las aplicaciones prácticas podrían tardar entre cinco y diez años, dice Laitz.
Las perovskitas han llamado mucho la atención en los últimos años como materiales para nuevos paneles solares fotovoltaicos ligeros y flexibles, por lo que se ha investigado mucho sobre sus propiedades y métodos de fabricación. El equipo optó por una versión particular de perovskita llamada yoduro de plomo fenetilamonio.
“Las perovskitas de haluro captan muy bien la luz y convierten los fotones en electrones o excitones, según la dimensionalidad y las propiedades materiales de la perovskita”, explica. Es por eso que los investigadores eligieron esta versión particular de esta gran clase de materiales para su investigación.
Luego, para crear lo que se llama una cavidad óptica capaz de atrapar fotones de luz, los investigadores colocaron pequeñas escamas de material entre superficies reflectantes. Dos de estas capas ultrafinas, de solo unas pocas decenas de nanómetros de espesor, se espaciaron a una distancia precisa usando capas espaciadoras, de modo que los espejos estuvieran separados por la mitad de la longitud de onda de la luz que este material de perovskita absorbe y emite.
Usando perovskita sintonizada con una longitud de onda de luz verde, la luz verde emitida rebota entre los espejos. «Es reabsorbido por el material, reemitido, reabsorbido, reemitido, reabsorbido una y otra vez tan rápido que estás interconvirtiendo entre el fotón y el excitón, por lo que estás generando una superposición de los dos. «, dice Laitz.
Esto puede conducir al estado de la materia conocido como condensado de Bose-Einstein, en el que todas las partículas tienen estados de energía idénticos y se comportan como una partícula grande. Laitz dice que estos condensados tienen una propiedad conocida como espín, y esto se puede cambiar con la luz o la estimulación eléctrica; los cambios resultantes se pueden medir observando la fotoluminiscencia del material utilizando un sistema de imágenes espectroscópicas. Y a diferencia de los sistemas puramente fotónicos, donde hay poca interacción entre los fotones, estos materiales tienen fuertes interacciones con la luz y los electrones.
Se han producido matrices de tales condensados, pero hasta ahora solo a temperaturas criogénicas ultrabajas. “Las perovskitas ofrecen la posibilidad de lograr este fenómeno a altas temperaturas”, pero es difícil que se formen condensados en las perovskitas. Esta nueva investigación muestra características fundamentales del proceso que conduce a la condensación, dice Laitz. En su documento, «ofrecemos varias estrategias desde una perspectiva de hardware y una perspectiva de arquitectura de dispositivo para permitir esto». Y ese podría ser un paso clave hacia eventuales qubits a temperatura ambiente, dice.
Si bien el desarrollo de tales dispositivos puede demorar varios años, una aplicación a corto plazo de los nuevos hallazgos podría ser producir nuevos tipos de dispositivos emisores de luz, dice deQuilettes, incluidos los que podrían proporcionar una fuente de luz orientable con una salida direccional. ser controlado electrónicamente.
El equipo de investigación también incluyó a Alexander Kaplan, Jude Deschamps, Ulugbek Barotov, Andrew Proppe y Anna Asherov del MIT, Ines Garcia-Benito de la Universidad Complutense de Madrid y Giulia Grancini de la Universidad de Pavía. El trabajo fue apoyado por el programa de investigación solar Tata-MIT GridEdge, la Fundación Nacional de Ciencias y el Consejo Europeo de Investigación.
