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Ciencia

Primera imagen de la órbita de un electrón dentro de un excitón


Se trata de un objetivo que había eludido a los científicos durante casi un siglo y ahora se publica en la revista ‘Science Advances’.

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En una primicia mundial, el Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa (OIST), ha captado una imagen que muestra las órbitas internas, o la distribución espacial, de las partículas de un excitón.

Se trata de un objetivo que había eludido a los científicos durante casi un siglo y ahora se publica en la revista ‘Science Advances’.

Los excitones son estados excitados de la materia que se encuentran en los semiconductores, una clase de materiales que son clave para muchos dispositivos tecnológicos modernos, como las células solares, los LED, los láseres y los teléfonos inteligentes.

“Los excitones son partículas realmente únicas e interesantes; son eléctricamente neutras, lo que significa que se comportan en los materiales de forma muy diferente a otras partículas como los electrones. Su presencia puede cambiar realmente la forma en que un material responde a la luz –afirma el doctor Michael Man, coautor y científico de la Unidad de Espectroscopia de Femtosegundos del OIST–. Este trabajo nos acerca a la comprensión plena de la naturaleza de los excitones”.

Los excitones se forman cuando los semiconductores absorben fotones de luz, lo que hace que los electrones cargados negativamente salten de un nivel de energía inferior a otro superior. Esto deja espacios vacíos cargados positivamente, llamados agujeros, en el nivel de energía inferior. Los electrones y agujeros con carga opuesta se atraen y comienzan a orbitar entre sí, lo que crea los excitones.

Los excitones tienen una importancia crucial en los semiconductores, pero hasta ahora los científicos sólo han podido detectarlos y medirlos de forma limitada. Uno de los problemas es su fragilidad: se necesita relativamente poca energía para romper el excitón en electrones y huecos libres. Además, son fugaces: en algunos materiales, los excitones se extinguen en unas milésimas de milmillonésima de segundo después de formarse, cuando los electrones excitados “caen” de nuevo en los huecos.

“Los científicos descubrieron los excitones por primera vez hace unos 90 años –explica el profesor Keshav Dani, autor principal y director de la Unidad de Espectroscopia de Femtosegundos del OIST–. Pero hasta hace muy poco, en general sólo se podía acceder a las firmas ópticas de los excitones, por ejemplo, la luz que emite un excitón cuando se apaga. Otros aspectos de su naturaleza, como su momento, y cómo el electrón y el agujero orbitan entre sí, sólo podían describirse teóricamente”.

Sin embargo, en diciembre de 2020, los científicos de la Unidad de Espectroscopia de Femtosegundos del OIST publicaron un artículo en Science en el que describían una técnica revolucionaria para medir el momento de los electrones dentro de los excitones.

Ahora el equipo utilizó la técnica para capturar la primera imagen que muestra la distribución de un electrón alrededor del agujero dentro de un excitón. Los investigadores generaron primero los excitones enviando un pulso de luz láser a un semiconductor bidimensional, una clase de materiales recientemente descubierta que sólo tiene unos pocos átomos de grosor y alberga excitones más robustos.

Una vez formados los excitones, el equipo utilizó un rayo láser con fotones de altísima energía para separar los excitones y expulsar los electrones fuera del material, al espacio de vacío dentro de un microscopio electrónico.

El microscopio electrónico midió el ángulo y la energía de los electrones a medida que salían del material. A partir de esta información, los científicos pudieron determinar el momento inicial del electrón cuando se unió a un agujero dentro del excitón.

“La técnica tiene algunas similitudes con los experimentos de los colisionadores de la física de alta energía, en los que las partículas se estrellan entre sí con intensas cantidades de energía, rompiéndolas. Al medir las trayectorias de las partículas internas más pequeñas producidas en la colisión, los científicos pueden empezar a reconstruir la estructura interna de las partículas originales intactas –explica el profesor Dani–. Aquí estamos haciendo algo parecido: utilizamos fotones de luz ultravioleta extrema para romper los excitones y medir las trayectorias de los electrones para imaginar lo que hay dentro”.

“Esto no fue una hazaña –precisa el profesor Dani–. Las mediciones tuvieron que hacerse con extremo cuidado: a baja temperatura y baja intensidad para evitar el calentamiento de los excitones. Se necesitaron varios días para adquirir una sola imagen”.

Finalmente, el equipo consiguió medir la función de onda del excitón, que da la probabilidad de dónde es probable que se encuentre el electrón alrededor del agujero.

“Este trabajo supone un importante avance en este campo –afirma el doctor Julien Madeo, cofundador y científico de la Unidad de Espectroscopia de Femtosegundos del OIST–. Poder visualizar las órbitas internas de las partículas a medida que forman partículas compuestas más grandes podría permitirnos comprender, medir y, en última instancia, controlar las partículas compuestas de formas sin precedentes. Esto podría permitirnos crear nuevos estados cuánticos de la materia y una tecnología basada en estos conceptos”.

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