Cuasipartículas de masa negativa

Dibujo20180117 negative mass quasiparticles for new lasers phys org 2018 jan 10

Supongo que ya sabes que en una hoja de grafeno se propagan cuasipartículas de masa efectiva nula (ondas de electrones con una relación de dispersión lineal). En un hoja de diseleniuro de molibdeno suspendida en una microcavidad óptica se propagan cuasipartículas de masa efectiva negativa. Bajo acoplamiento fuerte, aparece una fuerza de atracción efectiva entre las cuasipartículas de tipo excitón-polaritón que da lugar a la formación de tríos de excitones acoplados a polaritones, llamadas cuasipartículas de tipo trión-polaritón, que muestran una relación de dispersión invertida que resulta en una masa efectiva negativa.

Nick Vamivakas, del Instituto de Óptica de la Universidad de Rochester, New York, EE.UU., y sus colegas proponen el desarrollo de un nuevo tipo de láser semiconductor de alta eficiencia a escala nanométrica. Gracias a la masa efectiva negativa de los trión-polaritones este tipo de láser requiere menor energía que los convencionales. El artículo es S. Dhara, C. Chakraborty, …, A. N. Vamivakas, “Anomalous dispersion of microcavity trion-polaritons,” Nature Physics (30 Oct 2017), doi: 10.1038/nphys4303; más información divulgativa en la nota de prensa “Device creates negative mass—and a novel way to generate lasers,” Phys.org, 10 Jan 2018, y en Thomas Scherer, “Particles with negative mass?” Elektor, 17 Jan 2018.

Dibujo20180117 Device architecture trion-polariton nphys4303-f1

La interacción entre la luz y la materia en materiales planos (un gas bidimensional de electrones) conduce a la formación de cuasipartículas de tipo excitón-polaritón. Los fotones encerrados en una cavidad óptica (entre dos materiales que actúan como espejos) producen un campo electromagnético; se habla de polaritones si dicho campo afecta a dipolos en algún material. Los electrones que saltan de la banda de valencia a la banda de conducción conducen a la propagación de cuasipartículas de tipo electrón y hueco. Cuando en el material hay pozos de potencial que confinan a estos electrones y huecos aparecen estados ligados por la fuerza de Coulomb de tipo excitón (cuasipartícula electrón-hueco). Estos excitones se pueden acoplar con los fotones que resuenan en una cavidad óptica dando lugar a cuasipartículas de tipo excitón-polaritón.

En materiales bidimesionales, como el grafeno o el diseleniuro de molibdeno (MoSe2), la interacción entre excitones y polaritones es muy fuerte. Los excitón-polaritones en MoSe2 se observaron por primera vez en el año 2014 (Xiaoze Liu, Tal Galfsky, …, Vinod M. Menon, “Strong light–matter coupling in two-dimensional atomic crystals,” Nature Photonics 9: 30–34 (2015), doi: 10.1038/nphoton.2014.304). En una microcavidad óptica (cuyos espejos son heteroestructuras) se observaron en 2015 estados acoplados de tres excitones con polaritones, llamados trión-polaritones (S. Dufferwiel, S. Schwarz, …, A. I. Tartakovskii, “Exciton–polaritons in van der Waals heterostructures embedded in tunable microcavities,” Nature Communications 6: 8579 (2015), doi: 10.1038/ncomms9579). Sin embargo, no estos trión-polaritones se observaron en un régimen en el que su masa efectiva es positiva.

Dibujo20180117 cavity polariton physics trion-polariton nphys4303-f1

La relación de dispersión para el polaritón tiene tres ramas, llamadas superior (UPB), intermedia (MPB) e inferior (LPB). Los estados de tipo excitón-polaritón y trión-polaritón corresponden al acoplamiento de polaritones en la banda intermedia (MPB) y en la banda inferior (LPB), resp., con excitones en el semiconductor bidimensional. En la parte izquierda de esta figura se muestra la estructura de bandas del polaritón para masa efectiva positiva del trión-polaritón (observa que la banda LPB es convexa). En la parte derecha de esta figura se muestran los resultados experimentales (puntos en rojo) y la predicción teórica (curva roja continua) para un trión-polaritón de masa efectiva negativa (observa que la banda LPB es cóncava, en lugar de convexa); observa que para los excitón-polaritones la masa efectiva es positiva.

Dibujo20180117 Measuring the device dispersion relation nphys4303-f3

Los resultados experimentales para masa efectiva negativa se han obtenido enfriando la muestra a una temperatura de 5 K; nótese que a 6 K no se observa la masa efectiva negativa de los trión-polaritones. En concreto una hoja monoatómica de MoSe2 entre dos reflectores de Bragg distribuidos (DBRs). La relación de dispersión se observa usando espectroscopia de reflectancia. La anchura de las líneas asociadas al excitón y al trión es de 7 meV y 9 meV, resp. La energía asociada a las tres bandas del polaritón es de 1,66 eV (UPB), 1,634 eV (MPB) y 1,621 eV (LPB). Todos estos números indican que el experimento es difícil de realizar, así que habrá que esperar hasta que sea repetido de forma independiente para confirmar la observación de cuasipartículas de masa negativa.

En resumen, se ha realizado un curioso experimento que muestra la formación de cuasipartículas de masa negativa de tipo trión-excitón. Este fenómeno podrá ser explotado en el futuro para el diseño de un nuevo tipo de láser semiconductor de polaritones. Por supuesto, queda mucha investigación básica por realizar para que este nuevo trabajo acabe resultando una aplicación práctica. Habrá que estar al tanto de estos avances.


5 Comentarios

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josejuanjosejuan

Hola Francis, seguro que mi ignorancia produce una terrorífica simplificación pero ¿podríamos hacernos la ilusión de que al leer “de masa negativa” se pudiera construir una “masa negativa” lo suficientemente grande como para “caer hacia arriba”? ¡Gracias!

Francisco R. Villatoro

JoseJuan, la masa efectiva depende de la curvatura en la función (llamada dispersión) que relaciona la energía y la velocidad (o momento lineal) de una onda. La gravedad no interviene ni aplica en esta definición. Tampoco tiene sentido hablar de arriba o abajo en relación a una onda (máxime cuando en este caso se propaga en un medio bidimensional).

PelauPelau

Hola, Francis. Dos preguntitas:

Aunque el medio y las cuasipartículas involucradas son diferentes, ¿esta masa efectiva negativa es del tipo observado en condensados de Bose-Einstein superfluidos?

Además del nuevo tipo de láser, ¿podría tener alguna aplicación sobre la recombinación de Auger para aumentar la eficacia fotovoltaica de paneles solares, o ya flipando, sobre el efecto Casimir para extraer energía “gratis” del vacío?

Desde ya muchas gracias. Saludos.

Francisco R. Villatoro

Pelau: (1) el origen es completamente diferente, pero en ambos casos se trata de masa efectiva (“Masa efectiva negativa en un condensado de Bose-Einstein superfluido”, LCMF, 12 Abr 2017); y (2) no lo sé, pero creo que no (la recombinación de Auger de parejas excitones parece incompatible con los triones, que creo que se destruirán, pero no sé si habrá alguna escapatoria sutil).

PelauPelau

La posible-quizás-talvez escapatoria sutil era el quid, sí 🙂

Muchas gracias. Y felicitaciones (atrasadas) por los 10 años de la Mula. Es un placer y un privilegio leerte. Saludos.

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