Investigadores del ICMM de Madrid lideran dos estudios internacionales publicados de forma simultánea en ‘Nature’ en los que se demuestra una nueva teoría para modificar las características de materiales cristalinos con pulsos de luz intensos. Los trabajos, elaborados en materiales mono y multicapa, «abren la puerta a un control sin precedentes de los movimientos de los electrones en su interior» y podrían generar una nueva electrónica.
Según los autores de las investigaciones, ello «posibilitará el uso de nuevos grados de libertad cuánticos a escalas ultrarrápidas» y, por tanto, afectará «al aumento de la velocidad y capacidad de procesamiento de información».
Los materiales cristalinos se caracterizan por tener una estructura ordenada y con relaciones de simetría. Dichas simetrías están íntimamente relacionadas con las propiedades electrónicas del material, por lo que modificarlas permite cambiar u obtener nuevas propiedades. En los trabajos que ahora se publican, los investigadores del ICMM-CSIC Rui Silva y Álvaro Jiménez Galán han desarrollado un método para manipular la simetría de estos materiales de manera ultrarrápida.
«Nosotros proponemos trabajar con un campo óptico que sea de la misma simetría que la estructura de nuestro material, para controlar las propiedades de simetría globales del sistema. De esta manera, se pueden cambiar las propiedades electrónicas del material en pocos femtosegundos (equivalente a la milbillonésima parte de un segundo)», explicó Jiménez Galán, uno de los autores principales de ambos trabajos.
“Al tener la misma simetría que el material, sólo rotando el pulso de luz conseguimos cambiar sus propiedades electrónicas», añade Rui Silva, quien también es uno de los autores principales de ambos trabajos. Estos dos científicos propusieron esta teoría hace unos años y ahora, en dos trabajos independientes en colaboración con la Universidad de Stanford y el Instituto de Ciencias Fotónicas de Barcelona (ICFO), se ha conseguido demostrar experimentalmente.
Para ello, se ha creado un pulso de luz potente que se mueve a dos frecuencias diferentes y que rotan en sentidos opuestos creando un pulso de luz con forma de trébol. «El pulso puede rotar a escalas de femtosegundos», puntualizó Jiménez Galán, quien añadió que esas escalas “son relevantes ya que son las asociadas al movimiento electrónico coherente».
Añadió que, «las modificaciones en las propiedades del material conservan todas las propiedades cuánticas, lo que es esencial, por ejemplo, para la computación cuántica”. Estos trabajos son fundamentales, entre otros campos, para el de la denominada valletrónica, que trabaja con los electrones que se mueven por los valles que se forman en la estructura de bandas del cristal.
En concreto, los investigadores de Standford han logrado «un control sin precedentes sobre la magnitud, la localización y la curvatura» de esos valles «al trabajar esta técnica sobre nitruro de boro hexagonal monocapa (material de dos dimensiones)».
En el otro estudio, realizado en paralelo con el Instituto de Ciencias Fotónicas de Barcelona, se ha demostrado que el control óptico sobre el grado de libertad del valle “no se limita a estructuras monocapa», como destacó Silva. En concreto, han experimentado con cristal multicapa de disulfuro de molibdeno (bulk MoS2), en el que han logrado también «un control totalmente óptico y no resonante sobre la polarización de sus valles».
Ambos investigadores subrayaron que este control óptico es posible en sistemas con un número arbitrario de capas. «Al trabajar a frecuencias ópticas, abrimos la posibilidad de diseñar dispositivos valletrónicos multimateriales que funcionen en escalas de tiempo en los que la coherencia cuántica se mantiene», concluyeron los científicos.
Los siguientes pasos de su investigación pasan por trabajar con luz estructurada, «lo que abriría paso a la manipulación de las propiedades de materiales tanto en el tiempo como en el espacio».