Noticias sobre Óptica y Fotónica

Edwin Cartlidge

Investigadores de Estados Unidos, República Checa y España han demostrado que la luz atrapada dentro de un cristal magnético puede mejorar fuertemente sus interacciones magnetoópticas, gracias a la formación de cuasipartículas conocidas como excitón-polaritones. [Imagen: Rezlind Bushati]

Explotar la respuesta de los materiales magnéticos a la luz podría conducir a todo tipo de nuevas tecnologías, desde láseres magnéticos hasta novedosos dispositivos de memoria. Pero los efectos magnetoópticos en la mayoría de los materiales naturales son pequeños y requieren láseres de alta potencia o detectores ópticos sensibles para discernirlos.

Ahora los científicos han demostrado que la respuesta magnética de un semiconductor antiferromagnético de sólo unos pocos átomos de espesor se puede sintonizar en un amplio rango espectral (Nature, doi: 10.1038/s41586-023-06275-2). Según los investigadores, esto se debe a la formación de los llamados excitones-polaritones, cuasipartículas que son en parte materia y en parte luz.

Las cuasipartículas normalmente se obtienen colocando una pieza excepcionalmente delgada de semiconductor en el centro de una cavidad óptica del tamaño de un micrómetro. Las ondas de luz resonantes liberan electrones en el material, creando pares electrón-hueco conocidos como excitones. Si los pares fusionados emiten radiación con una frecuencia muy similar a la de la luz en la cavidad, los fotones y excitones llegan a formar una entidad distinta: un excitón-polaritón.

En el último trabajo, Vinod Menon del City College de Nueva York, EE.UU., y sus colegas han estudiado este acoplamiento luz-materia en cristales que consisten en varias capas de un semiconductor hecho de cromo, sulfuro y bromo, con cada capa sólo unos cientos de nanómetros de espesor. Pudieron atrapar la luz dentro de los cristales, tanto con espejos en cada extremo de las muestras como sin ellos, en el último caso, explotando la constante dieléctrica inusualmente grande del material en comparación con su entorno.

En lugar de una única resonancia, como se esperaría en el caso de un solo excitón, los investigadores observaron señales ópticas en múltiples frecuencias y, por lo tanto, energías.

Menon y sus colegas demostraron por primera vez las características puramente ópticas de los cristales al iluminarlos con luz láser verde y medir la fotoluminiscencia. En lugar de una única resonancia, como se esperaría en el caso de un solo excitón, los investigadores observaron señales ópticas en múltiples frecuencias y, por lo tanto, energías. Combinando estos resultados experimentales con modelos teóricos, el equipo concluyó que las emisiones deben ser el resultado de la dispersión por excitones-polaritones.

Con ese resultado en la bolsa, los investigadores pasaron a investigar la influencia de los campos magnéticos en esta dispersión. Como señalan en el artículo, un antiferroimán consta de pequeñas regiones de momentos magnéticos atómicos o moleculares alineados de manera opuesta sin magnetización neta. Pero cuando se expone a un campo magnético, el material se convierte en un ferroimán en el que todos los momentos magnéticos se alinean en la misma dirección. El efecto no es blanco y negro; Los campos intermedios hacen que los momentos magnéticos de las regiones vecinas se alineen parcialmente.

Menon y sus colegas examinaron el efecto de un campo magnético externo en las diferentes ramas de la dispersión del polariton. La rama de mayor energía corresponde a un excitón puro (que simularon en lugar de medir), mientras que las ramas de energía progresivamente más bajas se vuelven más parecidas a un fotón. Los investigadores descubrieron que aumentar la fuerza del campo magnético reducía la energía de todas las ramas, pero disminuía más la de las ramas similares a excitones.

Mientras que los cristales con muy pocas capas son transparentes a energías significativamente por debajo de la resonancia de excitones, el material del equipo, que tiene más capas, experimenta cambios importantes en la reflectancia óptica cuando se somete a campos magnéticos, según los investigadores.

Sin embargo, no ocurrió lo mismo con la reflectancia. Al igual que con su energía, el campo externo podría cambiar la reflectancia de un polaritón. Pero en este caso, los investigadores vieron el mayor efecto con polaritones más parecidos a fotones. Por otro lado, para los excitones puros, la modulación fue mínima. En otras palabras, mientras que los cristales con muy pocas capas son transparentes a energías significativamente por debajo de la resonancia de excitones, el material del equipo, que tiene más capas, experimenta cambios importantes en la reflectancia óptica cuando se somete a campos magnéticos, según los investigadores.

Finalmente, los investigadores estudiaron el efecto de los campos dependientes del tiempo en forma de perturbaciones magnéticas conocidas como magnones, que también deberían modular la alineación entre las dos magnetizaciones en un antiferroimán. Utilizando mediciones de bomba-sonda, los investigadores descubrieron que la reflectancia relativa de dos ramas diferentes similares a excitones variaba a medida que las oscilaciones del magnón recorrían sus cristales. "Al igual que en la respuesta a un campo estático", escriben, "los polaritones aumentan sustancialmente el ancho de banda espectral de este efecto magnetoóptico".

Para aprovechar la investigación con fines prácticos, Menon y sus colegas buscan desarrollar chips nanofotónicos que utilicen corrientes eléctricas para excitar magnones y polaritones. Dicen que estos dispositivos podrían encontrar uso en la transducción cuántica (convertir microondas en luz infrarroja cercana), dispositivos de memoria y nuevos emisores de luz.

Fecha de publicación: 23 de agosto de 2023