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Bilayer Graphene Exciton Polariton

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Dinámica excitón-fotón en el grafeno

Un proyecto financiado por la UE ha estudiado las leyes físicas que subyacen a la interacción luz-materia del grafeno bicapa con una banda prohibida. Los hallazgos del proyecto abrirán el camino al desarrollo de dispositivos optoelectrónicos pioneros.

Energía

Los excitones —cuasipartículas neutras que se hallan en los semiconductores— exhiben un acoplamiento fuerte bajo la luz. Fijando grafeno bicapa con una banda prohibida en microcavidades ópticas se puede controlar esa interacción, que es capaz de producir un régimen de acoplamiento fuerte. Ese tipo de interacción da lugar a la formación de una nueva clase de cuasipartícula conocida como polaritón-excitón, que consiste en una cuasipartícula bosónica mitad luz, mitad materia. Con el respaldo de la financiación europea al proyecto «Bilayer graphene exciton polariton» (BIGEXPO), un equipo de científicos se ha propuesto profundizar en la comprensión del acoplamiento del grafeno bicapa al campo fotónico de una microcavidad. Basándose en un enfoque sin generación de perturbaciones, la labor del proyecto BIGEXPO se ha centrado en el estudio de los fenómenos que se dan cuando una capa dipolo, como una lámina de grafeno, interactúa con un campo electromagnético. Los hallazgos de esos estudios demuestran que el efecto Purcell se desmorona —contra lo que cabría suponer, en un régimen de acoplamiento fuerte la tasa de emisión espontánea desciende espectacularmente —. Además, los científicos han llegado a la conclusión de que se deben revisar las hipótesis actuales en cuanto a las emisiones fotónicas. Otra de las tareas ha consistido en desarrollar una teoría microscópica para describir el acoplamiento entre los excitones del grafeno bicapa y los fotones. Una vez completa, esa teoría debe aportar una descripción exhaustiva de los mecanismos físicos subyacentes en la interacción luz-materia. La naturaleza no perturbativa del acoplamiento debe ser capaz de justificar efectos físicos extraordinarios. El propósito del proyecto BIGEXPO ha sido ahondar en la comprensión de los procesos físicos que rigen la dinámica excitón-fotón en microcavidades. Teniendo en cuenta su elevado momento dipolar excitónico, el sistema grafeno-microcavidades podría remover las fronteras de la investigación en el campo de la electrodinámica cuántica de cavidades del estado sólido. No solamente permitirá observar un régimen novedoso de acoplamiento luz-materia fuertemente correlacionado, sino que además dará lugar a una nueva generación de dispositivos optoelectrónicos supereficientes en las bandas de los terahercios y del infrarrojo medio.

Palabras clave

Grafeno, interacción luz-materia, optoelectrónica, grafeno bicapa, polaritón-excitón

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