El más rápido imposible en dispositivos optoelectrónicos basados en nanoheteroestructuras semiconductoras

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Físicos europeos publican en Nature el más rápido imposible en dispositivos optoelectrónicos a temperatura ambiente. Fotones ultraenergéticos con periodo de 12 fs (femtosegundos) excitan electrones que saltan entre dos niveles de energía de pozos cuánticos en una nanoheteroestructura semiconductora de AlGaAs/GaAs. El salto cuántico requeriría fotones con un periodo de 37 fs, por tanto se ha logrado un proceso “casi” instantáneo, ya que el proceso ocurre 3 veces más rápido de lo que cabría esperar (compárense los 12 fs con los 37 fs). La conmutación ultrarrápida del estado de un sistema cuántico provocada por una excitación con un pulso de luz ultraenergético abre un gran número de aplicaciones prácticas, tanto en comunicaciones ópticas como en metrología cuántica. Nos lo comentan en Claire Gmachl, «Quantum optoelectronics: Swift switch of the strong,» News and Views, Nature 458: 157-158, 12 March 2009 , haciéndose eco del artículo técnico G. Günter et al. «Sub-cycle switch-on of ultrastrong light-matter interaction,» Nature 458: 178-181, 12 March 2009 .

¿Qué significa que un cambio en algo sea casi instantáneo? En física, que el cambio sea mucho más rápido que un único ciclo oscilatorio de la luz involucrada en el proceso. Parecía imposible pero se ha logrado y a temperatura ambiente. Günter y colaboradores han diseñado una estructura semiconductora formada por 50 pozos cuánticos en los que los electrones de la banda de conducción pueden estar en sólo dos niveles de energía. Esta heteroestructura está formada por 50 capas alternas de 9 nm (nanómetros) de arseniuro de galio (GaAs), y de 30 nm de arseniuro de galio y aluminio (Al0.33Ga0.67As). Esta nanoheteroestructura está diseñada para que los electrones de la banda de conducción en cada pozo de potencial sólo puedan estar en 2 niveles energéticos. Un electrón en el nivel de energía más bajo es excitado al nivel más alto mediante la absorción de luz a una frecuencia (color) apropiada. Por el contrario, un electrón «excitado» en el nivel más alto de energía puede volver al nivel más bajo de energía emitiendo espontáneamente un fotón a dicha frecuencia. La anchura de los pozos de potencial determina la diferencia entre ambos niveles de energía. Günter y sus colegas han elegido esta diferencia igual a 113 meV (milielectrónvoltio), con lo que la luz «apropiada» es la que tiene un periodo de sólo 37 fs (femtosegundos, 10^{-15} segundos).

¿Qué pasa si un pulsos de control de 12 fs (fotones con una energía de 1.55 eV) sobre esta nanoheteroestructura? Los electrones en el nivel inferior de energía se excitan y saltan al nivel superior de forma prácticamente instantánea, desde el punto de vista físico, ya que el proceso ocurre más de 3 veces más rápido de lo que cabría espera Günter y sus colegas han demostrado una conmutación ultrarrápida en el estado de un sistema cuántico provocada por una excitación con un pulso de luz ultraenergético.

El análisis físico detallado de este proceso requiere utilizar técnicas de electrodinámica cuántica (QED) en el régimen no es adiabático (lejos del equilibrio). La interacción materia-luz observada está mediada por polaritones en la heteroestructura interpretada como una cavidad óptica. Sin entrar en más detalles técnicos se abre un nuevo campo de la física con un prometedor futuro.



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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 14 marzo, 2009
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