Los excitones gigantes

Dibujo20141220 rydberg exciton - cu20 copper oxide - nature

En física del estado sólido, un excitón es una cuasipartícula formada por un electrón y un hueco (la ausencia de un electrón). Yakov Frenkel predijo en 1931 que los excitones en cristales eran átomos de hidrógeno artificiales, llamados átomos de Rydberg. El espectro de los estados energéticos discretos del excitón de Rydberg es análogo al del átomo de hidrógeno, con el hueco actuando como núcleo (protón). El concepto de excitón fue extendido a semiconductores en 1937 por Gregory Wannier y en 1938 por Nevill Mott. La primera observación experimental se realizó en 1952 en óxido de cobre semiconductor (por tanto era un excitón de Wannier–Mott).

Una gran noticia de 2014 ha sido la observación, por primera vez, de excitones de Rydberg gigantes en óxido de cobre cristalino (confirmando la predicción de Frenkel). Su espectro coincide con el del átomo de hidrógeno hasta el número cuántico de n=25. Estas cuasipartículas tienen un tamaño enorme, su diámetro es de 2 μm. El objetivo en 2015 será alcanzar un número cuántico de n=50, que dará lugar a excitones de Rydberg con un diámetro de 1 mm, es decir, que amplificando su emisión luminosa les haría visibles a simple vista. En 1952 nació la excitónica, el área de la física de estado sólido que desarrolla dispositivos electrónicos y optoelectrónicos basados en excitones. Los nuevos avances en excitones de Rydberg prometen revolucionar este área.

Nos lo contó Sven Höfling, Alexey Kavokin, “Solid-state physics: A historic experiment redesigned,” Nature 514: 313-314, 16 Oct 2014. El artículo técnico es T. Kazimierczuk, D. Fröhlich, S. Scheel, H. Stolz, M. Bayer, “Giant Rydberg excitons in the copper oxide Cu2O,” Nature 514: 343-347, 16 Oct 2014.

Dibujo20141220 The spectral signatures of excitons - hydrogen-like transitions 514313a-f1 nature com

Johann Balmer descubrió en 1885 una fórmula empírica para el espectro de emisión del átomo de hidrógeno. Johannes Rydberg generalizó la fórmula de Balmer en 1888. Wolfgang Pauli aplicó en 1926 la mecánica cuántica matricial de Werner Heisenberg para derivar la fórmula de Rydberg. J. Frenkel, “On the Transformation of light into Heat in Solids. I,” Phys. Rev. 37: 17-44, 1931, y “On the Transformation of Light into Heat in Solids. II,” Phys. Rev. 37: 1276-1294, 1931, llamó “ondas de excitación” (“excitation waves“) a lo que ahora llamamos excitones y demostró que su espectro energético coincide con el del hidrógeno (luego las transiciones energéticas producen fotones con un espectro de Rydberg, de ahí que ahora se les llame excitones de Rydberg, o menos habitualmente excitones de Frenkel).

Dibujo20141220 rydberg exciton Spectra measured on a natural sample of thickness 34 microns - nature com

Kazimierczuk y sus colegas han usado espectroscopia de transmisión de alta resolución para observar cristales de óxido de cobre naturales encontrados en la mina Tsumeb de Namibia. Han tomado una muestra de estos cristales de 34 µm de grosor y la han enfriado a 1,2 K. Los picos resonantes observados en el espectro están asociados a números cuánticos de hasta n=25, como muestra esta figura. Estos picos están tan próximos que la resolución en el espectro debe alcanzar los 5 neV (nanoelectrónvoltios).

Dibujo20141220 Scheme of the experimental setup - nature com

¿Se podrán observar los estados de mayor número cuántico, hasta n=50, en 2015? En principio, no parece difícil, pero habrá que mejorar la técnica espectroscópica usada hasta alcanzar una resolución de 1 neV, reducir la temperatura de la muestra hasta pocos milikelvin y mejorar la calidad de la muestra estudiada. Nada impide que estos avances se obtengan el próximo año. El campo de la excitónica es, sin lugar a dudas, excitante (valga la redundancia).

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