El sentido común dicta que para que un objeto se mueva de un punto a otro, debe pasar por todos los puntos del camino. No es así para los electrones en el mundo cuántico cómo acaba de observarse.

“Los electrones pueden aparecer en el primer piso, luego en el tercer piso, sin haber estado nunca en el segundo piso”, explica Huy Zhao, profesor de Física y Astronomía en la Universidad de Kansas.

Zhao, junto con el estudiante de posgrado de física Frank Ceballos, y el 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”, dijo en un comunicado el investigador de KU.

Debido a que este tipo de transporte “cuántico” es muy eficiente, Zhao dijo 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.

Sus hallazgos se han publicado en Nano Letters, una revista especializada en nanociencia y nanotecnología.

El equipo de investigación de Kansas University 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”, dijo 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. 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.

El equipo 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”, dijo Zhao.

Los investigadores utilizaron un tercer pulso con otro color para vigilar la capa media y no encontraron electrones. El 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 en la Universidad de Nebraska-Lincoln, coautores del artículo.

Según Zhao, la verificación del transporte cuántico de electrones 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”, dijo. “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”.

Zhao dijo que en las últimas décadas los investigadores han aprendido a afinar las propiedades de los materiales cambiando su tamaño y forma a escala nanométrica. Una nueva forma de nanomateriales, conocida como materiales bidimensionales, fue descubierta hace una década.

“Están formados por capas individuales de átomos o moléculas”, dijo. “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”.

El investigador dijo que el trabajo de su equipo se centró en un requisito clave para que tales materiales sean ideales para aplicaciones electrónicas y ópticas: Los electrones deben 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”, dijo.

Fuente: Europa Press