Nuevo tipo de interacción Luz-Materia
 

Usando una nanoestructura híbrida única, investigadores de la Universidad de Maryland, han demostrado un nuevo tipo de interacción luz-materia, y también el primer control cuántico completo del spin qubit dentro de nanoestructuras coloidales muy pequeñas (unos pocos nanómetros), dando así un paso clave en los esfuerzos por crear un ordenador cuántico.

Publicado en la revista Nature, esta investigación se basa en los trabajos del mismo equipo de investigación de Maryland, publicados en marzo en la revista Science. Según los autores y expertos externos, estos nuevos hallazgos avanzan la promesa de abarcar estas nuevas nanoestructuras para la computación cuántica y para las nuevas, y más eficientes, tecnologías de generación de energía (como las células fotovoltaicas), así como de otras tecnologías que se basan en la interacciones luz -materia, como los biomarcadores.

"El verdadero avance, es que al utilizar una nueva tecnología de la ciencia de materiales que clarifica las interacciones entre la materia y la luz y la ciencia cuántica, pensamos que tendrá importantes aplicaciones en muchas áreas, sobre todo en la conversión y almacenamiento de energía y en la computación cuántica," señaló el investigador principal Min Ouyang, profesor adjunto del departamento de física del Centro de Nanotecnología de la universidad de Maryland. "De hecho, nuestro equipo ya está aplicando este nuevo conocimiento a las interacciones luz-materia a nanoescala, y adelantando un control preciso de las nanoestructuras para el desarrollo de un nuevo tipo de célula fotovoltaica, que esperamos sean significativamente más eficientes en la conversión de luz en electricidad que las células actuales."

Ouyang y los demás miembros del equipo de la Universidad de Maryland (el investigador científico Jiatao Zhang y los estudiantes Kwan Lee y Tang Yun), tienen en proceso la patente que utiliza la termodinámica química para la producción de una amplia gama de combinaciones de diferente materiales, cada uno con una capa semiconductora de estructura perfecta mono-cristalina alrededor de un núcleo de metal. En la investigación publicada en Nature, los investigadores utilizaron nanoestructuras híbridas de metal semiconductores, desarrollados a través de este proceso para demostrar experimentalmente un "acoplamiento resonante sintonizable" entre un plasmón (del núcleo de metal) y un excitón (de la capa semiconductora), con un resultante optimizado del efecto óptico Stark. Este efecto fue descubierto hace unos 60 años en los estudios de interacción entre la luz y los átomos, y que mostraban que la luz puede utilizarse para modificar los estados atómicos cuánticos.

Nanoestructuras, grandes avances

"Las heteronanostructurass de metal-semiconductor se han investigado intensamente en los últimos años junto con componentes metálicos usados como antenas a nanoescala para acoplar la luz de manera más eficaz dentro y fuera de los semiconductores a nanoescala, con los emisores de luz", señaló Garnett W. Bryant, jefe de la Quantum Processes and Metrology Group in the Atomic Physics Division, del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST). "La investigación que lidera Ouyang Min, muestra que una novedosa heteronanostructura, con un semiconductor rodeado de una nanoantena metálica puede alcanzar los mismos objetivos. Estas estructuras son muy simples y mucho más fáciles de hacer que en anteriores intentos, y abiertas a muchas posibilidades de aplicación. Lo más importante, es que han demostrado que acople luz-materia puede ser manipulado y lograr un control cuántico coherente de la nanoemisores semiconductores, un requisito clave para el procesamiento de la información cuántica", dijo Bryant, que no participó en esta investigación. Bryant, también es científico del Joint Quantum Institute, un centro líder en la investigación de la ciencia cuántica, asociado con el NIST y la Universidad de Maryland.

Ouyang y sus colegas coinciden en que sus nuevos descubrimientos han sido posibles gracias a sus nanoestructuras híbridas de cristal-metál, que ofrecen una serie de ventajas sobre las estructuras epitaxiales usadas en trabajos anteriores. La epitaxia ha sido la principal forma de crear semiconductores simples de cristal y dispositivos afines. La nueva investigación pone de relieve las nuevas capacidades de estas nanoestructuras, elaborada mediante un proceso que evita dos factores restrictivos de la epitaxia, el límite en el grosor de la capa del semiconductor y un rígido requerimiento de "ajuste de parámetros".

Los científicos de Maryland dan cuenta que, además de las capacidades mejoradas de sus nanoestructuras híbridas, el método para producirlas no requiere de salas blancas ni los materiales tienen que formarse en el vacío, que es la forma convencional de actuar con la epitaxia. "Por lo tanto, también sería mucho más sencillo y menos costoso para las empresas, producir en masa los productos basados en nuestras nanoestructuras híbridas", añadió Ouyang.

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