El flujo de electrones es la base del funcionamiento de la tecnología moderna, desde electrodomésticos como freidoras de aire hasta los diversos dispositivos de pantalla que utilizamos para trabajar y entretenimiento. Sin embargo, los electrones se comportan según las reglas extrañas del universo cuántico, exhibiendo comportamientos sin paralelo en el mundo macroscópico, como la superposición que les permite existir en múltiples estados simultáneamente hasta ser observados.

En un avance significativo, físicos de la Universidad de Míchigan han iluminado nueva física al desarrollar un dispositivo de "faro de electrones" que emite un haz de electrones controlable mediante diferentes "colores" de luz sin requerir ninguna fuente de energía eléctrica externa.

"Esto no es la forma en que las cosas normalmente funcionan. Cuando piensas en electrones moviéndose a través de un material, se mueven porque has aplicado un campo eléctrico y rebotan y se desplazan a través de los materiales", explica Steven Cundiff, físico experimental de la Universidad de Míchigan y autor principal del estudio. "Aquí, usando luz, puedes literalmente expulsar los electrones en una dirección específica sin aplicar un campo eléctrico".

Con apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias de Estados Unidos, los investigadores construyeron un dispositivo que utiliza dos haces de láser de diferentes "colores" en la región infrarroja invisible del espectro electromagnético para controlar el flujo de electrones a través de un semiconductor.

"Probablemente lo más sorprendente es que las corrientes producidas por este proceso son incluso detectables con el dispositivo que hicimos", señaló Cundiff a ScienceAlert. "La corriente generada es una corriente 'balística', lo que significa que los electrones viajan siguiendo una trayectoria determinada por su velocidad inicial de 'lanzamiento'. Normalmente, las corrientes eléctricas no son balísticas, sino difusivas, porque los electrones están constantemente dispersándose en impurezas y defectos del material".

Este comportamiento balístico representa un cambio fundamental en cómo se comportan los electrones en los materiales. En lugar de rebotar aleatoriamente contra impurezas y defectos, los electrones controlados por luz viajan en líneas rectas predeterminadas, similar a cómo un faro dirige un haz de luz en una dirección específica.

Los investigadores construyeron su dispositivo en la Instalación de Nanofabricación Lurie de la Universidad de Míchigan, probando diferentes métodos para establecer una configuración experimental que no introdujera campos eléctricos externos que pudieran sesgar sus resultados. "Trabajé con el personal de la instalación para experimentar con diferentes procesos y temperaturas para desarrollar un proceso de fabricación", explicó Cundiff.

El proyecto tiene raíces en investigaciones anteriores. "Este proyecto es interesante porque comencé a trabajar en su predecesor hace muchos años como una forma de crear un detector sensible a la fase para usar en la estabilización de peines de frecuencia", contó Cundiff a ScienceAlert. Los peines de frecuencia son herramientas centrales que permiten el control de precisión de ondas electromagnéticas, creando relojes, computadoras y sistemas de comunicaciones más precisos.

La investigación actual se basa en trabajos previos que demostraban que la luz puede ser utilizada para inducir a los electrones a fluir en una configuración de haz, que los autores comparan con un faro. "La luz ya no simplemente enciende la corriente; también la orienta", explica Cundiff.

Sin embargo, orientar este haz de electrones es más complicado que simplemente girar una lámpara. En cambio, los investigadores rotan su haz de electrones rotando la polarización, es decir, la dirección de las oscilaciones, de la luz. Este mecanismo de control permite una precisión sin precedentes en la dirección del flujo electrónico.

Este trabajo también representa la realización de una predicción hecha por John Sipe, físico teórico de la Universidad de Toronto y colaborador anterior. Sipe y sus colegas predijeron que esta configuración experimental produciría el efecto observado de "faro de electrones", generando un haz de electrones direccionales en ausencia de un voltaje aplicado.

A diferencia de las partículas clásicas con trayectorias claramente definidas, en el ámbito subatómico contraintuitivo, donde las partículas actúan como ondas indistintas, la interferencia cuántica describe cómo las funciones de onda de estas partículas pueden alinearse constructiva o destructivamente. Este fenómeno es fundamental para entender cómo funciona el dispositivo.

Las implicaciones futuras de esta investigación son amplias. El trabajo podría ayudar a elucidar la geometría cuántica de los materiales que dictan sus comportamientos fundamentales. Como resultado, puede ayudar a mejorar múltiples tecnologías, incluyendo técnicas de sensores cuánticos que apuntan a describir cantidades físicas con una precisión cada vez mayor.

Los avances en interferencia cuántica también podrían mejorar la obtención de imágenes y las telecomunicaciones, mejorando cómo se transmiten las señales entre dispositivos e incrementando la cantidad de datos que pueden transportar. De manera similar, la interferencia cuántica puede conducir a aceleraciones significativas en la computación al amplificar la probabilidad de recibir soluciones informáticas deseadas y suprimir la probabilidad de recibir soluciones no deseadas.

Este descubrimiento representa un paso importante hacia tecnologías cuánticas más avanzadas. El futuro es cuántico, y este faro puede guiarnos en la navegación del mar aún turbio y invisible de partículas y campos subatómicos que gobiernan el mundo tangible que experimentamos.