Los excitones oscuros son estados exóticos de luz-materia en semiconductores atómicamente delgados que suelen permanecer invisibles debido a su baja emisión de luz. Sin embargo, estos estados son muy prometedores para la información cuántica y las aplicaciones fotónicas avanzadas debido a sus propiedades únicas de interacción luz-materia, sus largos tiempos de vida y su reducida interacción con el entorno, lo que conlleva una menor decoherencia.
Para revelar estos estados elusivos, el equipo diseñó una cavidad óptica a escala nanométrica utilizando nanotubos de oro y una sola capa de diseleniuro de tungsteno (WSe₂), un material de tan solo tres átomos de espesor. Este diseño amplificó la emisión de luz de los excitones oscuros unas asombrosas 300.000 veces, haciéndolos no solo visibles, sino también controlables.
“Este trabajo demuestra que podemos acceder y manipular estados de luz-materia que antes estaban fuera de nuestro alcance”, afirmó el investigador principal del estudio, Andrea Alù, profesor distinguido y Einstein de Física en el Centro de Posgrado de CUNY y director fundador de la Iniciativa de Fotónica del Centro de Investigación Científica Avanzada del Centro de Posgrado de CUNY (CUNY ASRC). “Al activar y desactivar estos estados ocultos a voluntad y controlarlos con resolución nanométrica, abrimos oportunidades emocionantes para impulsar de forma disruptiva las tecnologías ópticas y cuánticas de próxima generación, incluyendo la detección y la computación”.
El equipo de investigación también demostró que estos estados oscuros pueden ajustarse a demanda mediante campos eléctricos y magnéticos, lo que permite un control preciso para posibles aplicaciones en fotónica en chip, sensores y comunicación cuántica. A diferencia de intentos anteriores, este enfoque preserva las propiedades naturales del material a la vez que logra una mejora sin precedentes en el acoplamiento luz-materia.
«Nuestro estudio revela una nueva familia de excitones oscuros de espín prohibido, nunca antes observada», afirmó Jiamin Quan, primer autor del estudio. «Este descubrimiento es solo el comienzo: abre el camino para explorar muchos otros estados cuánticos ocultos en materiales 2D».
Este descubrimiento también resuelve un prolongado debate sobre si las estructuras plasmónicas pueden realmente mejorar los excitones oscuros sin alterar su naturaleza al entrar en contacto cercano. Los autores abordaron este desafío diseñando cuidadosamente la heteroestructura plasmónica-excitónica utilizando capas nanométricas de nitruro de boro, clave para revelar los nuevos excitones oscuros observados por el equipo.
Lea el artículo original en CUNY Advanced Science Research Center.