Investigadores de la Universidad de Göttingen observaron por primera vez los efectos Floquet en grafeno, lo que permite ajustar sus propiedades electrónicas casi instantáneamente, abriendo nuevas posibilidades en tecnología cuántica.
Un nuevo estudio liderado por la Universidad de Göttingen, en colaboración con equipos de Braunschweig, Bremen y Friburgo, demostró que el grafeno podría ser capaz de aún más. Por primera vez, los científicos observaron directamente los «efectos Floquet» en el grafeno. Este hallazgo resuelve una cuestión científica de larga data: la ingeniería Floquet, una técnica en la que pulsos de luz modifican con precisión las propiedades de un material, también puede funcionar en materiales cuánticos metálicos y semimetálicos como el grafeno. La investigación fue publicada en Nature Physics.
Pruebas directas de los estados Floquet en el grafeno
Para investigar estos efectos, el equipo utilizó la microscopía de momento de femtosegundos, un método que permite a los investigadores capturar cambios extremadamente rápidos en el comportamiento electrónico. Las muestras de grafeno fueron iluminadas con ráfagas rápidas de luz y luego examinadas con un pulso retrasado para seguir cómo respondieron los electrones en intervalos de tiempo ultracortos.
«Nuestras mediciones prueban claramente que los ‘efectos Floquet’ ocurren en el espectro de fotoemisión del grafeno», afirmó el Dr. Marco Merboldt de la Universidad de Göttingen, primer autor del estudio. «Esto deja en claro que la ingeniería Floquet realmente funciona en estos sistemas, y el potencial de este descubrimiento es enorme.» Sus resultados demuestran que la ingeniería Floquet es efectiva en una amplia gama de materiales, acercando a los científicos a la capacidad de moldear materiales cuánticos con características específicas utilizando pulsos láser en intervalos extremadamente cortos.
Materiales cuánticos controlados por luz para tecnologías futuras
La capacidad de ajustar materiales con tal precisión podría sentar las bases para futuras electrónicas, computadoras y sensores altamente avanzados. El profesor Marcel Reutzel, quien lideró el proyecto en Göttingen junto con el profesor Stefan Mathias, explicó: «Nuestros resultados abren nuevas formas de controlar los estados electrónicos en materiales cuánticos con luz. Esto podría llevar a tecnologías en las que los electrones se manipulan de manera dirigida y controlada.»
Reutzel continuó: «Lo que es particularmente emocionante es que esto también nos permite investigar propiedades topológicas. Estas son propiedades especiales, muy estables, que tienen un gran potencial para desarrollar computadoras cuánticas confiables o nuevos sensores para el futuro.»
Esta investigación fue apoyada por la Fundación Alemana de Investigación (DFG) a través del Centro de Investigación Colaborativa de la Universidad de Göttingen «Control de la Conversión de Energía a Escalas Atómicas».
¿Qué es el Efecto Floquet?
El Teorema de Floquet (o ingeniería Floquet) es una herramienta teórica que se utiliza para describir la dinámica de sistemas cuánticos (como los electrones en un sólido) que son sometidos a una perturbación periódica en el tiempo. En el contexto de los materiales, esta perturbación es típicamente un potente pulso de luz láser, generalmente con polarización circular.En esencia, el sistema se comporta como si estuviera regido por un Hamiltoniano efectivo independiente del tiempo lo que permite analizar las nuevas propiedades electrónicas que surgen de la interacción con la luz.
Efectos en el Grafeno
El grafeno es un material semimetálico 2D con una estructura electrónica única, caracterizada por los conos de Dirac que son puntos donde las bandas de valencia y conducción se tocan, dándole propiedades de fermiones de Dirac sin masa.
Al aplicar la ingeniería Floquet al grafeno, se logra un efecto espectacular: la luz pulsada modifica su estructura de bandas de las siguientes maneras:
Apertura de un «Gap» de Energía
El efecto Floquet más significativo es la apertura de una banda prohibida (gap) de energía en los conos de Dirac del grafeno. El grafeno puro es un semimetal, lo que significa que no tiene banda prohibida (el gap es cero), lo que dificulta usarlo como un transistor tradicional (que requiere poder «apagar» la conducción).
La irradiación con luz láser de polarización circular rompe la simetría y crea un gap dinámico entre las bandas de valencia y conducción, transformando temporalmente el grafeno de un semimetal a un semiconductor fotónicamente inducido.
Creación de Réplicas (Estados Floquet)
La periodicidad de la luz induce réplicas de la estructura de bandas original (los conos de Dirac) que se encuentran desplazadas en energía por múltiplos de la energía del fotón. Estas réplicas son los estados Floquet.Aislamiento Topológico de FloquetLa apertura del gap inducida por la luz es a menudo de naturaleza topológica. Esto significa que el grafeno irradiado puede comportarse como un aislante topológico de no-equilibrio (o Floquet).Los aislantes topológicos tienen la particularidad de ser aislantes en el interior, pero tienen estados electrónicos conductores unidireccionales en sus bordes (estados de borde quirales o de no-equilibrio). Estas propiedades son robustas contra las imperfecciones.
Potencial y Aplicaciones
La capacidad de controlar las propiedades de los materiales con pulsos de luz ultrarrápidos, en lugar de con campos electrostáticos o dopaje químico, abre la puerta a una nueva generación de dispositivos.
Electrónica de Ultra-Alta Velocidad (Optoelectrónica): Al controlar las bandas de energía con luz, se podrían crear componentes electrónicos que funcionan a frecuencias mucho más altas que los actuales (a escalas de femtosegundos).
Computación Cuántica y Sensores: La creación de aislantes topológicos de Floquet es crucial, ya que los estados de borde topológicos son prometedores para la computación cuántica y el desarrollo de sensores y dispositivos de transporte basados en propiedades topológicas robustas.
«Diseño» de Materiales (Engineering Floquet): El grafeno se convierte en un banco de pruebas para la ingeniería de materiales cuánticos con luz, permitiendo a los científicos «esculpir» o modular las propiedades electrónicas de un material a demanda.
