Los excitones, partículas cuasimonopolares que se forman a partir de un electrón y una «hueco» cargado positivamente, son fundamentales en tecnologías modernas como las células solares y los televisores. Estas entidades, que permiten la transferencia de energía sin portar carga neta, han sido objeto de un reciente estudio dirigido por el físico de materia condensada, Iván Biaggio, con el objetivo de desentrañar los mecanismos detrás de la dinámica de excitones, el entrelazamiento cuántico y la disociación en cristales moleculares orgánicos. Este trabajo ha sido publicado en la revista Physical Review Letters.
En los materiales orgánicos, los excitones deben desplazarse a través del material antes de disociarse y generar una corriente utilizable. El laboratorio de Biaggio utiliza láseres para excitar estas partículas y observar sus interacciones a nivel cuántico. Los investigadores rastrean el comportamiento de los excitones a través de pulsos cortos de láser y fluorescencia, analizando los «latidos cuánticos» para estudiar procesos complejos como la fisión de singletes, el transporte de tripletes y la fusión de tripletes. La fisión de singletes implica la división de una excitación inicial (con espín 0, llamada singlete) en dos excitones tripletes (cada uno con espín 1) que mantienen un espín combinado de 0 en un estado cuántico entrelazado.
Investigaciones sobre Excitones en Rubreno
El laboratorio está investigando las propiedades de un par de excitones tripletes entrelazados que se generan tras la fotoexcitación. Biaggio y su equipo cultivan cristales de rubreno, un semiconductor orgánico con alta movilidad de portadores que permite la fisión de excitones singlete, y utilizan láseres para excitar y detectar selectivamente excitones específicos. Aprovechan los procesos mediante los cuales los excitones absorben luz de diferentes longitudes de onda, permitiendo que dos excitones tripletes emitan un fotón cuando se encuentran.
Según Biaggio, «la detección de la decaimiento de fluorescencia y las ondas de alta frecuencia provocadas por el entrelazamiento cuántico son una manera cuántica de observar lo que está sucediendo». Este enfoque es indirecto, ya que se basa en la detección de las acciones de estos excitones, no en su disociación y creación de corriente, sino en su movimiento a través del cristal y su eventual encuentro, que resulta en la reemisión de luz. También se pueden captar en el momento de su creación utilizando otros pulsos láser que observan su aparición y seguimiento. «De esta manera, podemos rastrear el fenómeno de estos excitones que nacen del estado fotoexcitador inicial, lo cual ocurre en aproximadamente 10 picosegundos», añade.
Los experimentos más recientes de Biaggio examinan cómo el entrelazamiento cuántico de los pares de excitones tripletes puede persistir mientras los excitones vagan de manera independiente en el cristal. Sus investigaciones han revelado un proceso en el que los relojes de los pares de excitones tripletes pueden desincronizarse, a pesar de que cada reloj sigue marcando el mismo ritmo.
Este tipo de investigación podría tener implicaciones significativas para el desarrollo de semiconductores o la ciencia de la información cuántica. El objetivo a largo plazo es comprender mejor los comportamientos fundamentales de los excitones, lo que podría influir eventualmente en aplicaciones en la captación de energía solar o, posiblemente, en la computación cuántica.
