Nuevas formas de “relajarse” para las cuasipartículas exóticas

Un dispositivo basado en perovskita que combina aspectos de la electrónica y la fotónica de cuasipartículas puede abrir las puertas a nuevos tipos de chips de computadora o qubits cuánticos.

Los nuevos hallazgos de un equipo de investigadores del MIT y otros lugares podrían ayudar a allanar el camino para nuevos dispositivos que cierren de manera eficiente la brecha entre la materia y la luz.

Estos pueden incluir chips de computadora que eliminen las ineficiencias inherentes a las versiones y qubits actuales, los bloques de construcción básicos para computadoras cuánticas que podría funcionar a temperatura ambiente en lugar de las condiciones ultrafrías que la mayoría de estos dispositivos necesitan.

Al intercalar fragmentos de perovskita entre dos espejos y estimularlos con rayos láser, los investigadores pudieron controlar directamente el estado de giro de las cuasipartículas conocidas como pares de excitón-polaritón, que son híbridos de luz y materia. Crédito de la imagen: Cortesía de los investigadores / MIT

El nuevo trabajo, basado en intercalar pequeñas escamas de un material llamado perovskita entre dos superficies reflectantes espaciadas con precisión, se detalla en la revista. Comunicaciones de la naturalezaen un papel por la recién graduada del MIT Madeleine Laitz PhD ’22, el posdoctorado 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, en última instancia, permitir leer y escribir datos en dispositivos basados ​​en este fenómeno.

«Lo que es particularmente fascinante de los excitones-polaritones», dice Laitz, es que se encuentran «en un espectro entre los sistemas puramente electrónicos y fotónicos». Estas cuasipartículas «tienen ambas características y, por lo tanto, puede aprovechar los polaritones de excitón para utilizar las mejores propiedades de cada uno».

Por ejemplo, los transistores puramente electrónicos, explica, tienen pérdidas inherentes a los efectos de capacitancia en cada interfaz entre dispositivos, mientras que «los sistemas puramente fotónicos tienen desafíos en la ingeniería, ya que es muy difícil hacer que los fotones interactúen, y tienes que confiar en complejos esquemas interferométricos.”

Por el contrario, las cuasipartículas utilizadas por este equipo se pueden controlar fácilmente a través de múltiples variables.

Las cuasipartículas son «un estado combinado de luz y carga neutra», dice Bulovic.

“Como resultado, puede perturbar ese estado combinado con luz o carga y, por lo tanto, si necesita modular ese estado, tiene palancas adicionales que puede utilizar. Estas palancas adicionales ahora pueden permitir manipular este estado combinado de la materia de una manera más eficiente energéticamente”.

Además, los materiales involucrados se fabrican fácilmente utilizando métodos de procesamiento basados ​​en soluciones a temperatura ambiente y, por lo tanto, podrían ser relativamente fáciles de producir a escala una vez que se diseñen los sistemas prácticos.

Hasta ahora, 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 se decidió por una versión particular de perovskita llamada yoduro de plomo fenetilamonio.

«Las perovskitas de haluro recolectan la luz muy bien y convierten los fotones en electrones o excitones, según la dimensionalidad y las propiedades materiales de la perovskita», dice, razón por la cual los investigadores eligieron esta versión particular de esta gran clase de materiales para su investigación.

Luego, para crear lo que se conoce como una cavidad óptica que puede atrapar fotones de luz, los investigadores colocaron pequeñas escamas del material entre superficies espejadas. Dos de estas capas ultrafinas, de solo 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 de un lado a otro entre los espejos.

“Es reabsorbido por el material, reemitido, reabsorbido, reemitido, reabsorbido una y otra vez tan rápido que se interconvierte entre el fotón y el excitón, de modo que se genera una superposición de ambos”, 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 tales condensados ​​tienen una propiedad conocida como espín, y esto puede modificarse mediante estimulación luminosa o 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 tanto con la luz como con los electrones.

Se han producido matrices de tales condensados, pero hasta ahora solo a temperaturas criogénicas ultrabajas. “Las perovskitas ofrecen la oportunidad de realizar este fenómeno a temperaturas elevadas”, pero es difícil formar los condensados ​​en las perovskitas.

Esta nueva investigación muestra características fundamentales del proceso que conduce a la condensación, dice Laitz. En su artículo, «proponemos varias estrategias desde una perspectiva material y una perspectiva de arquitectura de dispositivo para permitir esto». Y ese podría ser un paso clave hacia eventuales qubits a temperatura ambiente, dice ella.

Si bien el desarrollo de tales dispositivos puede demorar varios años, una aplicación más a corto plazo de los nuevos hallazgos podría ser la producción de nuevos tipos de dispositivos emisores de luz, dice deQuilettes, incluidos los que podrían proporcionar una fuente de luz orientable con salida direccional que puede ser controlado electrónicamente.

«Ha habido bastante interés en el uso de polaritones de excitón como base para fuentes de luz coherentes de baja potencia, similares a los láseres», dice Stéphane Kéna-Cohen, profesor asociado de ingeniería física en el Politécnico de Montreal, que no estaba asociado. con este trabajo

“En esa área, el desafío es lograr que los polaritones se relajen de manera eficiente a su estado de energía más bajo. Este documento nos ayuda a comprender los detalles de cómo sucede esto en las microcavidades de perovskita y cómo diseñar mejor las cavidades para que esto suceda a muy baja potencia”.

Escrito por David L Chandler

Fuente: Instituto de Tecnología de Massachusetts

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