Récord de temperatura para un condensado de Bose-Einstein de excitones

Por Francisco R. Villatoro, el 4 octubre, 2019. Categoría(s): Ciencia • Física • Nanotecnología • Nature • Noticias • Physics • Science ✎ 2

El primer condensado de Bose–Einstein (BEC) se observó en 1995 con átomos de rubidio enfriados a 170 nanokelvin (Premio Nobel de Física de 2001). Para observar este fenómeno a alta temperatura (pocos kelvin) se usan condensados de excitones, el estado ligado electrostático de un electrón y un hueco en un semiconductor. Se publica en Nature  el récord de temperatura, unos 100 K, para un condensado de excitones intercapa en un sándwich de materiales bidimensionales semiconductores: los excitones están formados por electrones propagados en una monocapa de diseleniuro de molibdeno y por huecos en otra diseleniuro de wolframio, separadas ambas por una multicapa aislante de nitruro de boro hexagonal (2–3 capas con un grosor total de 0.6–1.0 nm). Se ha confirmado gracias al espectro de la radiación emitida por electroluminiscencia en la recombinación de los excitones.

Los excitones permiten condensados alta temperatura gracias a que su masa es mucho más pequeña que la de un átomo. Los electrones y huecos de estos excitones intercapa se recombinan por efecto túnel a través del aislante. El proceso emite luz por electroluminiscencia con espectro característico; se ha observado una densidad crítica de excitones a partir de la cual aparece la electroluminiscencia, así como un espectro que está en excelente acuerdo con las predicciones teóricas. La clave de este hito ha sido el uso de semiconductores bidimensionales, en concreto, monocopas de dicalcogenuros de metales de transición (TMDs), cuyos excitones tienen una energía de ligadura de unos 0.5 eV; de hecho, si se usan bicapas de TMDs desaparece la electroluminiscencia. Por cierto, en condensados de excitones en semiconductores tridimensionales se alcanzan temperaturas del orden de 1 K, que ya son enormes comparadas con las de los BEC de átomos fríos.

El artículo es Zefang Wang, Daniel A. Rhodes, …, Kin Fai Mak, “Evidence of high-temperature exciton condensation in two-dimensional atomic double layers,” Nature 574: 76-80 (02 Oct 2019), doi: https://doi.org/10.1038/s41586-019-1591-7; más información divulgativa en Andrey Chaves, David Neilson, “Two-dimensional semiconductors host high-temperature exotic state,” Nature 574: 39-40 (02 Oct 2019), doi: https://doi.org/10.1038/d41586-019-02906-9.

Esta figura ilustra el sándwich G/hBN/WSe2/hBN/MoSe2/hBN/G utilizado, así como una microfotografía del dispositivo. Al conectarlo a una diferencia de potencial aparecen excitones entre los electrones en el MoSe2 y los huecos en el WSe2. Para 5.5 V se observa electroluminiscencia cerca de 1.6 eV (punto brillante en la figura de abajo a la derecha) asociada a la recombinación de un hueco del WSe2 que atraviesa por efecto túnel el hBN hasta alcanzar un electrón del MoSe2; también se ha observado la recombinación de un electrón del MoSe2 que atraviesa por efecto túnel el hBN hasta alcanzar un hueco del WSe2, pero su intensidad es mucho más débil (y no se muestra en la figura).

La intensidad del efecto túnel en función del voltaje aplicado al dispositivo muestra un excelente acuerdo con las simulaciones teóricas para la recombinación de excitones en un estado BEC. Esta figura, por ejemplo, parece calculada por ordenador, cuando muestra resultados observados en los experimentos. A la izquierda, para Vbias constante (es decir, una densidad de electrones y huecos (n+p) constante); el pico de la curva se observa cuando se da el equilibrio de carga (n=p). A la derecha, para Vgate  constante, se observa una corriente constante cuando Vgate = Vbias, es decir, cuando se alcanza el pico observado en la figura de la izquierda.

El espectro de la electroluminiscencia se ajusta muy bien con las predicciones teóricas (con un delgado pico cuya anchura está entre 10–20 meV); en la figura se muestra el resultado para un temperatura de 3.5 K. También lo hace la dependencia del umbral crítico para la emisión. Estos resultados difieren de los esperados para la recombinación de excitones que no se encuentren en un BEC, por tanto, ratifican la hipótesis de que se ha logrado obtenerlo.

Esta figura muestra la temperatura de transición del condensado de excitones; en los experimentos se mantiene la densidad de excitones y se incrementa la temperatura hasta que desaparece la componente de la electroluminescencia (puntos de color rojo a la izquierda) por encima del nivel de fondo (puntos de color azul a la izquierda). Sin lugar a dudas las heteroestructuras de van der Waals, también llamados materiales de tipo LEGO porque se construyen superponiendo monocapas bidimensionales, están revolucionando muchas áreas de la Fïsica. Un BEC con una temperatura crítica de unos 100 K es un ejemplo excelente. ¿Para qué puede servir? Por ahora no hay aplicaciones tecnológicas relevantes, más allá de su uso para hacer ciencia básica. Pero quién sabe lo que puede dar de sí la imaginación de los físicos.



2 Comentarios

  1. Hola,

    Dices que por ahora no hay aplicaciones tecnológicas relevantes, pero un condensado de este tipo, ¿no sería una pieza clave para la construcción de un procesador cuántico con mayor coherencia?

    1. Teclado, todo sistema cuántico es una tecnología potencial para un futuro procesador cuántico; ya en 2012 se propusieron los BEC con dos commponentes para su uso en tecnologías de la información cuánticas, pero desde entonces los avances han sido muy parcos. ¿Quién sabe lo que nos deparará el futuro? Por ahora solo podemos soñar en que sean “una pieza clave” como comentas.

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