De un estudio innovador publicado en física naturalun equipo de investigadores ha revelado una propiedad inesperada en materiales bidimensionales (2D) que podría mejorar significativamente nuestra comprensión de fases cuánticas exóticas como la superconductividad y formas únicas de magnetismo. Utilizando una nueva técnica espectroscópica de terahercios (THz), descubrieron que pequeñas pilas de materiales 2D forman naturalmente cavidades que pueden atrapar tanto la luz como los electrones, cambiando su comportamiento de manera profunda.
James McIver, profesor asistente de física en la Universidad de Columbia y autor principal, destacó la importancia de este descubrimiento: «Hemos descubierto una capa de control oculta en materiales cuánticos» que podría iluminar los mecanismos que impulsan estas fascinantes fases cuánticas. La investigación se originó en Hamburgo, en el Instituto Max Planck para la Estructura y Dinámica de la Materia, donde McIver dirigió un grupo centrado en investigar los efectos de las perturbaciones en sistemas estables.
Los investigadores utilizaron el poder de la luz para investigar estos materiales, destacando el desafío de observar características en sustancias 2D que pueden ser más pequeñas que un cabello humano. Para superar esta limitación, desarrollaron un espectroscopio del tamaño de un chip que confina la luz THz de 1 milímetro a sólo 3 micrómetros, lo que les permite visualizar el comportamiento de los electrones en estos sistemas.
En sus experimentos, los investigadores se centraron inicialmente en el grafeno, un material bien caracterizado. Sin embargo, encontraron ondas estacionarias inesperadas dentro del sistema. Como explica Hope Bretscher, investigadora postdoctoral involucrada en el estudio, estas ondas son el resultado de la interacción de la luz con los electrones para formar cuasipartículas híbridas de materia luminosa, similares a las ondas estacionarias producidas por una cuerda de guitarra.
Sus hallazgos mostraron que los bordes de los materiales funcionan de manera similar a los espejos, permitiendo la reflexión de las corrientes de electrones excitados, lo que lleva a la formación de polaritones de plasmón, cuasipartículas únicas que mezclan luz y materia. Al examinar un dispositivo multicapa, los investigadores descubrieron que las interacciones entre plasmones en diferentes capas causan cambios profundos en las propiedades del material, de manera similar a como conectar dos cuerdas de guitarra cambia el sonido producido.
Para comprender mejor estos fenómenos, el equipo de investigación, incluido el coautor Marios Michael, desarrolló una teoría analítica que permite la extracción de propiedades de materiales basadas en parámetros geométricos de muestras. Esta teoría ayudará a diseñar muestras futuras sintonizadas para exhibir características específicas, como el seguimiento de resonancias influenciadas por factores como la densidad de portadores, la temperatura o los campos magnéticos.
Aunque la investigación se centró inicialmente en la captura de plasmones, se espera que la técnica espectroscópica revele diversos comportamientos de las cuasipartículas en una amplia gama de materiales 2D. El equipo de investigación ahora está midiendo activamente nuevas muestras mientras espera explorar las implicaciones de estos efectos de cavidad y sus posibles aplicaciones en la manipulación de fenómenos cuánticos. El inesperado descubrimiento ha abierto nuevas vías de investigación y promete remodelar nuestra comprensión de los materiales cuánticos.
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