Científicos crean un "faro de electrones" que guía partículas con luz láser

Un equipo de investigadores de la Universidad de Michigan creó un innovador dispositivo conocido como "faro de electrones", que utiliza luz láser para lanzar y dirigir electrones a través de un semiconductor, sin requerir un campo eléctrico aplicado. Este avance, basado en efectos cuánticos, promete mejorar tecnologías en campos como sensores ópticos, comunicaciones, imagenología y almacenamiento de información.

El dispositivo, diseñado inicialmente para investigar principios fundamentales de la física, podría facilitar la combinación de óptica y electrónica, permitiendo el desarrollo de nuevas formas de transmisión de señales entre dispositivos y la codificación de información. Según Yiming Gong, quien lideró el proyecto como estudiante de doctorado, "este dispositivo eléctrico fabricado en el Lurie Nanofabrication Facility tiene el potencial de convertirse en una herramienta para medir diferentes aspectos de la luz". Este avance se origina de un nivel fundamental de la física, específicamente de la interferencia entre diferentes procesos de absorción óptica.

Con el apoyo de la National Science Foundation de EE. UU., el equipo demostró que dos colores de luz diferentes pueden generar un flujo organizado de electrones a través del semiconductor. Además, se pudo modificar la dirección de la corriente al rotar la polarización de los dos campos ópticos, que describe la dirección en la que oscilan las ondas de luz. Steven Cundiff, físico de la U-M y autor principal del informe publicado en la revista Physical Review Letters, comentó: "Esto no es como normalmente funcionan las cosas. Cuando se piensa en electrones moviéndose a través de un material, lo hacen porque se aplica un campo eléctrico y rebotan y derivan a través de los materiales. Aquí, usando luz, se puede dirigir a los electrones en una dirección específica sin aplicar un campo eléctrico".

Estudios previos ya habían demostrado que la luz puede causar el movimiento de electrones. Sin embargo, el nuevo experimento va más allá al producir un chorro estrecho de electrones y controlar la dirección precisa en la que se desplaza. "La luz ya no solo enciende la corriente; también la dirige", afirmó Cundiff.

El efecto se asemeja al de un faro que barre un haz a través del horizonte mientras su lámpara rota. En este experimento, el haz en movimiento está compuesto por electrones, y los científicos pueden rotar ese haz ajustando la polarización de los dos campos ópticos coherentes en fase. Este fenómeno se basa en la interferencia cuántica, que ocurre cuando dos colores de luz siguen diferentes caminos de absorción que finalmente llevan al mismo estado final. La luz entrega energía al material en paquetes discretos conocidos como fotones, que movilizan los portadores de carga eléctrica del semiconductor.

En la configuración de la U-M, el material absorbe la luz entrante a través de dos caminos simultáneamente. Cundiff comparó el proceso con ondas superpuestas. Para los electrones que se mueven en una dirección, las ondas se alinean y se refuerzan mutuamente. Para los electrones que viajan en otras direcciones, se cancelan entre sí. Este refuerzo selectivo produce una corriente concentrada en una dirección específica, en lugar de dispersarse uniformemente a través del material.

Una realidad cuántica largamente anticipada

J.E. Sipe de la Universidad de Toronto, quien colaboró con los investigadores en un proyecto anterior, había predicho que un "faro de electrones" podría ser creado. Gong logró convertir esa idea teórica en un dispositivo funcional con la ayuda del Lurie Nanofabrication Facility. "El LNF es una instalación increíble", afirmó Gong, añadiendo que fue un proceso arduo combinar los materiales del dispositivo de manera que no se introdujeran campos eléctricos extraños. Evitar campos eléctricos no deseados fue crucial para confirmar que el flujo de electrones provenía únicamente de la luz. La producción del dispositivo requirió que Gong y el personal de la instalación experimentaran con diferentes métodos de fabricación.

Gong, quien obtuvo su doctorado en la U-M, ahora trabaja en Chicago como científico en aprendizaje automático, aplicando las habilidades cuantitativas y analíticas desarrolladas durante su investigación en física a problemas en este nuevo campo.