La revista Science ha publicado un trabajo en el que científicos demuestran cómo la luz puede utilizarse para "ver" la naturaleza cuántica de un material electrónico. Los investigadores han logrado esto capturando la luz en una red de átomos de carbono y ralentizando su velocidad hasta el punto en esta era tan lenta como la de los propios electrones en el grafeno. Cuando se llega a este límite, los electrones y la luz comienzan a moverse de manera sincronizada, en concierto, desvelando su naturaleza cuántica a una escala tan grande que puede ser observable con un microscopio especial. En cierta manera, es como observar electrones surfeando las ondas de luz sobre grafeno.

El trabajo ha sido liderado por el grupo de Frank Koppens, del Instituto de Ciencias Fotónicas de Barcelona (ICFO), en colaboración con el CIC nanoGUNE de San Sebastián y la Universidad de Oviedo, entre otras instituciones. Por parte de la institución académica asturiana ha participado el investigador Pablo Alonso González.

Los experimentos se llevaron a cabo con grafeno de una calidad extremadamente alta. Para excitar y observar las ondulaciones ultra-lentas de la luz en el grafeno (conocidas como plasmones), los investigadores hicieron uso de una antena especial para la luz que escanea la superficie a una distancia de unos pocos nanómetros. Con este nanoscopio de campo cercano vieron que las ondulaciones de la luz sobre el grafeno se movían a una velocidad 300 veces más lenta que la de la luz, algo increíblemente diferente de lo que se espera según las leyes de física clásica.

En referencia a los experimentos realizados, el profesor Koppens comenta que "normalmente es muy difícil explorar el mundo cuántico, y para hacerlo se requieren de temperaturas ultrabajas; en este estudio pudimos "ver" el fenómeno simplemente con luz e incluso a temperatura ambiente".

Esta técnica abre ahora el camino para explorar nuevos y diversos tipos de materiales cuánticos, incluyendo superconductores, donde la electricidad puede fluir sin consumo de energía, o materiales topológicos que permiten el procesamiento de información cuántica con qubits topológicos. Además, el investigador Rainer Hillenbrand afirma que "esto podría ser el comienzo de una nueva era de nanoscopía de campo cercano".

Por su parte, el profesor Marco Polini añade que "este descubrimiento podrá ayudar a comprender, mediante esta técnica microscópica, los fenómenos cuánticos complejos que se producen cuando la materia está sujeta a temperaturas ultrabajas y campos magnéticos muy altos, como el efecto Hall cuántico fraccional".

Esta investigación ha sido posible, en parte, gracias al apoyo del Consejo Europeo de Investigación (ERC), el buque insignia europeo de grafeno Graphene Flagship, la Generalitat de Catalunya, la Fundació Cellex y el programa de Excelencia Severo Ochoa del Gobierno de España.

Datos del artículo

"Tuning quantum nonlocal effects in graphene plasmonics".

Science  08 Jun 2017: eaan2735, DOI: 10.1126/science.aan2735

http://science.sciencemag.org/lookup/doi/10.1126/science.aan2735

Imagen del banner de portada: Electrones y luz que se mueven de manera sincronizada sobre la superficie del grafeno. © Fabien Vialla.