Se demuestra el teletransporte cuántico de electrones

"Los electrones pueden aparecer en el primer piso, luego en el tercer piso, sin haber estado nunca en el segundo piso", ha explicado Huy Zhao, profesor de Física y Astronomía en dicha universidad, y cuyo hallazgo se ha publicado en Nano Letters, revista especializada en nanociencia y nanotecnología.

Zhao, junto con el estudiante de posgrado de física Frank Ceballos, y también junto al compañero de estudios Samuel Lane, acaba de demostrar experimentalmente el movimiento contraintuitivo de los electrones en el Laboratorio Láser Ultrafast de esta universidad.

"En una muestra hecha de tres capas atómicas, los electrones en la capa superior se mueven hacia la capa inferior, sin que se vean en la capa media", ha comentado el grupo investigador de de la Universidad de Kansas (o KU en el argot académico).

Debido a que este tipo de transporte "cuántico" es muy eficiente, Zhao ha señalado que puede desempeñar un papel clave en un nuevo tipo de material artificial llamado "materiales van der Waals" que podría ser utilizado algún día en células solares y electrónica.

El equipo de investigación de KU fabricó la muestra utilizando el método de cinta adhesiva, en el que las capas de una sola molécula se levantan de un cristal con cinta adhesiva y luego se verifican con un microscopio óptico. La muestra contiene capas de MoS2, WS2 y MoSe2, y cada capa es más delgada que un nanómetro.

Los tres son materiales semiconductores y responden a la luz con diferentes colores. Basado en eso, los investigadores de utilizaron un pulso del laser de 100 femtosegundo de duración para liberar algunos de los electrones en la capa superior de MoSe2 y que pudieran moverse libremente.

"El color del pulso láser fue elegido de manera que sólo los electrones en la capa superior se pudieran liberar", ha aseverado Zhao. "Entonces usamos otro pulso láser con el color 'correcto' para la capa MoS2 inferior para detectar la aparición de estos electrones en esa capa", ha añadido al respecto.

El segundo pulso fue dispuesto a propósito para llegar a la muestra después del primer pulso en aproximadamente 1 picosegundo, dejándolo recorrer una distancia 0,3 mm más larga que la primera. Así, el equipo de KU encontró que los electrones se mueven de la capa superior a la capa inferior en aproximadamente un picosegundo en promedio.

"Si los electrones fueran cosas que siguieran al 'sentido común', como las llamadas partículas clásicas, estarían en la capa intermedia en algún momento durante este picosegundo", ha reiterado Zhao, quien utilizó un tercer pulso con otro color para vigilar la capa media y no encontraron electrones.

Ming-Gang Ju y Xiao Cheng Zeng

Su descubrimiento experimental del transporte contraintuitivo de electrones en la pila de capas atómicas fue confirmado por las simulaciones realizadas por los teóricos Ming-Gang Ju y Xiao Cheng Zeng, colaboradores de la Universidad de Nebraska-Lincoln y coautores de este artículo.

Según Zhao, la verificación del teletransporte cuántico entre las capas atómicas conectadas por la fuerza de van der Waals es "una noticia alentadora" para los investigadores que desarrollan nuevos materiales. "La Edad de Piedra, la Edad del Bronce y la Edad del Hierro - los materiales han sido el elemento definitorio de la historia humana", ha dicho.

"La era moderna de la tecnología de la información se basa en gran medida en el silicio, que es el resultado de muchas décadas de investigación material centrada en encontrar nuevos materiales y desarrollar mejores técnicas para hacerlos con alta calidad y bajo costo", ha agregado Zhao.

En las últimas décadas, él y otros investigadores de su mismo sector han aprendido a afinar las propiedades de los materiales cambiando su tamaño y forma a escala nanométrica. Incluso una nueva forma de nanomateriales, conocida como materiales bidimensionales, fue descubierta hace ya una década.

"Están formados por capas individuales de átomos o moléculas. El ejemplo más conocido es el grafeno, una sola capa de átomos de carbono. Hasta el momento, se han descubierto unos 100 tipos de materiales bidimensionales, como los tres utilizados en este estudio. Debido a que estas capas atómicas pueden ser apiladas usando la fuerza de van der Waals, abrieron una ruta totalmente nueva para crear nuevos materiales funcionales", ha recordado Zhao.

El investigador ha dicho luego que el trabajo de su equipo se había centrado, como requisito clave para que tales materiales fuesen ideales para aplicaciones electrónicas y ópticas, en que los electrones debían poder moverse eficientemente entre estas capas atómicas. "Este estudio mostró que los electrones pueden transferirse entre estas capas de una manera cuántica, al igual que en otros conductores y semiconductores", ha puntualizado.