Investigadores en el campo de la ingeniería cuántica están explorando un avance que podría transformar la forma en que se controlan las propiedades de los materiales. La clave de este enfoque consiste en excitar los electrones hasta estados de energía superiores a los habituales, provocando cambios profundos en su comportamiento físico.

Este principio se conoce como ingeniería de Floquet, una técnica de la física cuántica que modifica las características de un material mediante una fuerza externa periódica, tradicionalmente aplicada a través de pulsos de luz intensa. Al someter al sistema a esta estimulación controlada, emergen nuevos estados cuánticos con propiedades que no aparecen de manera natural en condiciones estáticas.

Durante años, esta línea de investigación ha despertado un notable interés debido a su potencial para crear materiales con funciones inéditas. En este contexto, un equipo de científicos del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa (OIST) y de la Universidad de Stanford ha anunciado el desarrollo de un método alternativo para implementar la física de Floquet. Según los investigadores, esta nueva estrategia resulta más eficiente que las técnicas previas basadas exclusivamente en el uso de luz de alta potencia, lo que abre nuevas posibilidades para el diseño y control de materiales cuánticos avanzados.

¿Alquimia del siglo XXI?

El profesor Keshav Dani, investigador de la Unidad de Espectroscopia Femtosegundo del OIST, afirmó en un comunicado en el que anunciaba el avance que el nuevo enfoque del equipo aprovecha lo que se conoce como excitones, que han demostrado ser mucho más potentes en el acoplamiento con materiales cuánticos que los métodos existentes “debido a la fuerte interacción de Coulomb, especialmente en materiales 2D”.

Por ello, según Dani, los excitones “pueden lograr fuertes efectos Floquet y evitar al mismo tiempo los retos que plantea la luz”. El equipo afirma que esto ofrece un nuevo medio para explorar diversas aplicaciones, entre las que se incluyen “exóticos dispositivos y materiales cuánticos futuros que promete la ingeniería Floquet”.

Estos fenómenos únicos podrían permitir aplicaciones de la ciencia de los materiales casi similares a la alquimia, ya que el concepto de crear nuevos materiales simplemente iluminándolos con luz parece más ciencia ficción que incluso la ingeniería más avanzada del siglo XXI.

La configuración de espectroscopia de fotoemisión resuelta en tiempo y ángulo (TR-ARPES) en el OIST, aquí con el coautor principal del estudio, Xing Zhu, estudiante de doctorado de la Unidad de Espectroscopia Femtosegundo. Con una fuente de ultravioleta extrema de mesa patentada que emite ráfagas a intervalos de femtosegundos (1 fs = una millonésima parte de una milmillonésima parte de un segundo), esta configuración capturó las primeras imágenes reales de excitones, ayudó a esbozar la evolución de los excitones oscuros y ahora ha demostrado la viabilidad de la ingeniería excitonica de Floquet. Crédito de imagen: Bogna Baliszewska (OIST)

Ingeniería de Floquet

En el pasado, los efectos Floquet han sido difíciles de alcanzar en el laboratorio, aunque las investigaciones realizadas a lo largo de los años han demostrado su potencial, siempre que se puedan lograr en condiciones prácticas.

Sin embargo, un factor limitante importante ha sido la dependencia de la luz intensa como fuerza motriz principal, lo que también puede provocar daños o incluso la vaporización de los materiales, lo que limita los resultados útiles.

Normalmente, la ingeniería de Floquet se centra en lograr estos efectos en condiciones cuánticas que desafían nuestras expectativas habituales del tiempo y el espacio. Cuando los investigadores emplean semiconductores o materiales cristalinos similares como medio, los electrones se comportan de acuerdo con lo que permite una de estas dimensiones: el espacio. Esto se debe a la distribución de los átomos, que limita el movimiento de los electrones y, por lo tanto, limita sus niveles de energía.

Estas condiciones representan solo una condición «periódica» a la que están sometidos los electrones. Sin embargo, si se proyecta una luz potente sobre el cristal a una determinada frecuencia, esto representa un impulso periódico adicional, aunque ahora en la dimensión del tiempo. La interacción rítmica resultante entre la luz (es decir, los fotones) y los electrones provoca cambios adicionales en su energía.

Al controlar la frecuencia y la intensidad de la luz utilizada como fuerza periódica secundaria, se puede hacer que los electrones muestren comportamientos únicos, lo que también provoca cambios en el material en el que se encuentran durante el tiempo que permanecen excitados.

De la luz a los excitones

Xing Zhu, actualmente estudiante de doctorado en el OIST, dijo:

“Hasta ahora, la ingeniería de Floquet ha sido sinónimo de impulsos de luz”.

Sin embargo, debido a que la luz se acopla mal con la materia, en el pasado los investigadores se han visto limitados a lograr estos efectos principalmente a escala de femtosegundos.

Zhu agregó:

“Niveles de energía tan altos tienden a vaporizar el material. Los efectos son muy efímeros. Por el contrario, la ingeniería de Floquet excitónica requiere intensidades mucho más bajas”.

Según el profesor Gianluca Stefanucci, de la Universidad de Roma Tor Vergata, uno de los coautores del reciente estudio, los excitones son una alternativa ideal a los fotones porque transportan energía autooscilante que puede afectar al material circundante a frecuencias que pueden controlarse mediante un ajuste adecuado.

Stefanucci explica:

“Dado que los excitones se crean a partir de los electrones del propio material, se acoplan mucho más fuertemente con el material que la luz.

Y lo que es más importante, se necesita mucha menos luz para crear una población de excitones lo suficientemente densa como para servir de impulso periódico eficaz para la hibridación, que es lo que hemos observado ahora”.

Normalmente, los niveles de energía de los electrones en semiconductores atómicamente delgados forman una curva suave (o banda) cuando se representan gráficamente a lo largo de los niveles de momento cristalino (k), con un pico distintivo en el centro, como se ve en el gráfico de la derecha. Un indicador clave de la hibridación de Floquet es el aplanamiento de este pico en forma de sombrero mexicano, también llamado camelback (espalda de camello); véase el gráfico de la izquierda. Este aplanamiento indica la presencia de una segunda banda superpuesta que es invisible, ya que los electrones no pueden habitar el mismo punto en el espacio de momento. Sin embargo, estas bandas “fantasma” influyen en las bandas de valencia y conducción visibles, empujándolas hacia abajo en el centro. Esto se observa claramente en la condición de alta densidad de excitones, donde la intensidad del efecto disminuye con la densidad de excitones. La dispersión en forma de sombrero mexicano también está presente, pero solo de forma tenue, en la condición de excitación óptica. Crédito de imagen: Pareek et al., 2026

En el pasado, el equipo del OIST ha llevado a cabo investigaciones sobre excitones utilizando un equipo especialmente diseñado llamado TR-ARPES, que significa “espectroscopia de fotoemisión resuelta en tiempo y ángulo”. Durante los experimentos, el equipo excitó con luz un material semiconductor muy delgado, del grosor de un átomo, mientras registraba los niveles de energía de los electrones en su interior. Esto permitió al equipo observar la manifestación de los efectos Floquet y, además, medir las señales de los electrones a escala de femtosegundos.

Esto permitió a los investigadores evaluar de forma independiente los efectos Floquet asociados a los fenómenos ópticos de los relacionados con el comportamiento excitónico.

El Dr. Vivek Pareek, becario postdoctoral presidencial del Instituto Tecnológico de California, dijo:

“Nos llevó decenas de horas de adquisición de datos observar las réplicas de Floquet con luz”.

A pesar de la cantidad de datos necesarios, el equipo logró obtener efectos Floquet excitónicos, confirma, “y con un efecto mucho más fuerte”.

El equipo afirma que sus resultados demuestran que los efectos Floquet pueden lograrse en tales condiciones y que pueden generarse de forma fiable utilizando medios más potentes (excitones, en este caso) que los que puede proporcionar la luz por sí sola. Esto abre la puerta al uso potencial de estas capacidades en una amplia gama de aplicaciones que podrían contribuir al desarrollo de materiales y dispositivos cuánticos útiles.

El Dr. David Bacon, coautor principal del reciente estudio, afirma que él y sus colegas han “abierto las puertas a la física aplicada de Floquet”, un logro que es “muy emocionante, dado su gran potencial para crear y manipular directamente materiales cuánticos”.

Bacon dijo:

“Aún no tenemos la receta para ello. Ahora tenemos la firma espectral necesaria para dar los primeros pasos prácticos”.

Los hallazgos de la investigación titulada “Driving Floquet physics with excitonic fields” han sido publicados en Nature Physics.

Referencias: “Quantum ‘alchemy’ made feasible with excitons”, Okinawa Institute of Science and Technology (OIST). (Fuente)

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Por: CodigoOculto.com