Recolisión electrón-hueco: Científicos descubren que hay luces detrás de ellos!

Un equipo de físicos de la Universidad de California en Santa Barbara (UCSB) han visto la luz, y viene en muchos colores. Al disparar rayos láser de alta y baja frecuencias a un semiconductor, los investigadores provocaron que los electrones fueran arrancados de sus núcleos, éstos se aceleraron aun más, y luego se estrellaron de nuevo en los núcleos que dejaron atrás. Esta recolisión produjo múltiples frecuencias de luces al mismo tiempo. Sus hallazgos aparecen en la edición actual de la prestigiosa revista científica Nature.

"Este es un fenómeno increíble. Nunca he visto nada como esto antes", dijo Mark Sherwin, cuyo grupo de investigación realizó el revolucionario descubrimiento. Sherwin es profesor de física en la UCSB,  también es director del Instituto Terahertz de Ciencia y Tecnología, y co-autor del estudio.

Cuando el haz del láser óptico de alta frecuencia penetra en el material semiconductor -en este caso, nanoestructuras de arseniuro de galio- crea un par de huecos de electrón llamados un excitón. El electrón tiene carga negativa, y el agujero está cargado positivamente, y los dos están unidos por su atracción mutua. "El láser de alta frecuencia genera electrones y huecos", explica Sherwin. "El rayo láser de baja frecuencia es extremadamente fuerte, y desprende al electrón lejos del agujero, acelerándolo. A continuación, la oscilación del campo de baja frecuencia hace que los electrones retornen de nuevo a toda velocidad al agujero".

El electrón tiene un exceso de energía, ya que se ha acelerado, y cuando se encierra de golpe nuevamente en el agujero, el recombinado par electrón-hueco emite fotones en frecuencias nuevas. Sherwin continua: "Es bastante normal mezclar los rayos láser y obtener una o dos nuevas frecuencias. Pero ver todas estas diferentes y nuevas frecuencias, hasta 11 en nuestro experimento, es un fenómeno muy apasionante. Cada frecuencia corresponde a un color diferente".

Nota de la imagen: Representación artística de una recolisión electrón-hueco. El infrarrojo cercano (barras de color ámbar) y los terahercios (conos amarillos) interactúan con la radiación de un pozo cuántico de semiconductores (azulejos). La radiación de infrarrojo cercano crea excitones (tejas verdes) que consisten en un electrón negativo y un agujero positivo (azulejos de color azul oscuro en el centro de tejas verdes) juntados en un estado similar a un átomo. Campos intensos de terahercios tiran de los electrones (azulejos blancos) en primer lugar fuera del agujero y luego de vuelta hacia ellos  (trayectoria de electrones representadas por elipses azules). Los electrones periódicamente recolisionan con los  orificios, creando destellos periódicos de luz (los discos en blanco entre las barras de color ámbar) que se emiten y detectan como bandas laterales. (Crédito: Peter Allen, UCSB)

En términos de aplicaciones en el mundo real, el fenómeno de las recolisiones electrón-hueco tiene el potencial para aumentar significativamente la velocidad de transferencia de datos (tasa de bits) y los procesos de comunicación. Una posible aplicación consiste en la multiplexación -la capacidad de enviar los datos por múltiples canales- y el otro es la alta velocidad de modulación.

"Piense en su Internet por cable," explica Ben Zaks, un estudiante de doctorado en física de la UCSB y autor principal del estudio. "El cable es un grupo o viga de fibras ópticas, y va a enviar una señal o haz con una longitud de onda que es de aproximadamente 1.5 micras en la línea. Pero dentro de esa viga hay una gran cantidad de frecuencias separadas por pequeños espacios, como un peine de dientes finos. La información enviada en una determinada dirección se mueve en una frecuencia, y la información enviada en otra dirección usa otra frecuencia. Usted quiere tener una gran cantidad de frecuencias disponibles, pero no demasiado lejos la una de la otra".

El fenómeno recolisión electrón-hueco hace justamente eso -crea luz en frecuencias nuevas, con una separación óptima entre ellas. Los investigadores utilizan un láser de electrones libres -una máquina del tamaño de un edificio en el Brodia Hall de la UCSB - para producir las recolisiones electrón-hueco, máquina que los investigadores admiten no es práctica para aplicaciones del mundo real.

Teóricamente, sin embargo, un transistor podría ser utilizado en lugar del láser de electrones libres para producir los fuertes campos de terahercios. "El transistor entonces modula el haz del infrarrojo cercano", continúa Zaks. "Nuestros datos indican que estamos modulando el láser infrarrojo cercano al doble de la frecuencia de terahercios. Aquí es donde realmente podemos ver este asunto trabajando para aumentar la velocidad de modulación óptica, que es la forma de obtener información por una línea de cable (ver: comunicación óptica)".

El fenómeno recolision electrón-hueco crea muchas vías nuevas de investigación y exploración, señaló Sherwin. "Es un momento interesante porque hay una gran cantidad de personas que pueden participar en este tipo de investigación", dijo. "Tenemos una herramienta única, un láser de electrones libres, que nos da una gran ventaja para la exploración de las propiedades de los materiales fundamentales. Ahora que hemos he visto este fenómeno, podemos empezar a realizar el duro trabajo de poner las piezas juntas en un chip".

Fuentes: Nature y USCB