En un laboratorio de Okinawa, Japón, un microscopio especializado observa fenómenos que duran menos que un parpadeo. En realidad, menos que un cuatrillón de segundo. Allí, un equipo de científicos ha logrado lo que hasta ahora parecía imposible: seguir el rastro de partículas que no emiten luz, no se pueden ver con técnicas convencionales y, sin embargo, podrían estar en el centro de la próxima revolución tecnológica.
Se trata de los excitones oscuros, unas entidades cuánticas que se forman en materiales delgados como una sola capa de átomos. La novedad, publicada en Nature Communications, es que por primera vez se ha obtenido una imagen clara y directa de cómo estas partículas se forman, evolucionan y podrían usarse como unidades de información cuántica. Un paso decisivo hacia la llamada “valleytrónica oscura“.
Qué son los excitones oscuros y por qué cuesta tanto detectarlos
Para entender el hallazgo, primero hay que entender qué es un excitón. En materiales semiconductores, como los que se usan en electrónica, los electrones pueden absorber luz y saltar a niveles de energía más altos, dejando vacantes llamadas “huecos”. Cuando un electrón y un hueco se atraen entre sí, se unen formando un excitón, una especie de pareja energética que puede transportar información.
Si este par tiene las características cuánticas correctas —como el mismo espín y estar en el mismo estado de momento (o “valle”)—, puede recombinarse rápidamente y emitir luz. Son los excitones brillantes. Pero cuando esas condiciones no se cumplen, el par no emite luz. Son los excitones oscuros, invisibles a las técnicas ópticas normales. A pesar de su nombre, estos últimos podrían ser más útiles que los brillantes.
Lo complicado es que, al no emitir luz, los excitones oscuros no se pueden observar con las herramientas ópticas habituales. Y sin observarlos directamente, es difícil aprovecharlos para la computación cuántica. De ahí la importancia de esta investigación: por fin se ha logrado verlos y medirlos en acción.
Tecnología ultrarrápida para observar partículas que duran picosegundos
El equipo liderado por Keshav Dani, en el Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa (OIST), utilizó un microscopio de fotoemisión angular y temporal (TR-ARPES, por sus siglas en inglés) junto con una fuente de luz ultravioleta extrema (XUV) desarrollada especialmente para el experimento. Este conjunto permitió capturar imágenes de los excitones con una resolución temporal de femtosegundos, es decir, una millonésima de una milmillonésima de segundo.
Gracias a esta tecnología, lograron ver cómo los excitones brillantes generados por un pulso de luz se transformaban rápidamente en excitones oscuros. Los primeros en aparecer fueron los llamados momentum-dark excitons, en los que el electrón y el hueco están en diferentes valles de la estructura del material. Poco después, emergieron los spin-dark excitons, en los que la diferencia está en la orientación del espín.
Lo sorprendente fue que algunos de estos excitones oscuros conservaban su polarización de valle —una propiedad cuántica que puede codificar información— durante varios picosegundos, mientras que los excitones brillantes la perdían casi de inmediato. Esta resistencia a la despolarización es clave para usarlos en computación cuántica, donde conservar la información sin que se degrade es uno de los grandes desafíos.
De la electrónica a la valleytrónica: una nueva manera de codificar información
En electrónica convencional, se manipula la carga de los electrones. En espintrónica, se aprovecha el espín, una propiedad cuántica relacionada con el magnetismo. Pero en los materiales bidimensionales como el disulfuro de tungsteno (WS₂), aparece una nueva posibilidad: la valleytrónica.
Los electrones en estos materiales pueden encontrarse en dos mínimos de energía diferentes, llamados valles K y K’, que funcionan como estados binarios. Usar estos valles para almacenar y manipular información es el principio de la valleytrónica. Lo que mostró el nuevo estudio es que ciertos excitones oscuros pueden mantener esta codificación por más tiempo que los excitones brillantes, lo que los convierte en candidatos ideales para tecnologías cuánticas.
La investigación demostró que, bajo ciertas condiciones experimentales (baja temperatura, baja intensidad de excitación y luz polarizada circularmente), se pueden generar y seguir excitones oscuros que conservan su identidad de valle durante más de 10 picosegundos. Según el artículo, “la población de excitones oscuros con polarización de valle dominó en un 85 % tras 1 ps, con un grado de polarización del 40 % durante al menos 10 ps”.
La valleytrónica es una disciplina que propone usar los “valles” de la energía de los electrones —mínimos en el paisaje cuántico de un material donde estos tienden a acumularse— como una nueva forma de codificar y procesar información, del mismo modo que la electrónica usa la carga y la espintrónica el giro del electrón
Un modelo matemático para entender su evolución
Para explicar cómo evolucionaban los diferentes tipos de excitones con el tiempo, los autores construyeron un modelo basado en ecuaciones de tasas. Este modelo les permitió estimar los tiempos característicos de los procesos clave: la dispersión por fonones, el intercambio entre valles y la relajación del espín.
Los resultados mostraron que los momentum-dark excitons se formaban en menos de un picosegundo, mientras que los spin-dark excitons tardaban algunos picosegundos más. Aunque estos últimos representaban una fracción menor de la población inicial, también mostraban una notable selectividad de valle, lo que abre nuevas posibilidades de uso a largo plazo.
Además, el estudio confirma que la despolarización rápida observada en estudios anteriores se debe a condiciones experimentales distintas: mayor temperatura o intensidades más altas de luz hacen que los excitones se comporten de manera más caótica y pierdan información más rápido. En contraste, al reducir la energía y enfriar el sistema, se pueden controlar mejor los procesos de dispersión y mantener la coherencia cuántica.
Excitones oscuros como unidad cuántica
Este trabajo no solo aclara cómo funcionan los excitones oscuros, sino que también abre nuevas vías para la tecnología cuántica. Una de las ideas más prometedoras es crear dispositivos que usen estos excitones como unidades de información cuántica resistentes a la decoherencia.
Además, el estudio sugiere que, con técnicas como la aplicación de tensión mecánica o campos magnéticos, podría ser posible “iluminar” estos excitones oscuros temporalmente, haciendo que emitan luz y permitiendo leer su estado cuántico. Esto sería un paso decisivo hacia memorias cuánticas más estables, o incluso hacia nuevos tipos de sensores ultraprecisos.
Como explican los autores, “nuestro trabajo demuestra que, dependiendo de las condiciones experimentales, se puede pasar de una rápida despolarización a la formación de excitones oscuros con polarización de valle de larga duración”. Este control, hasta ahora inalcanzable, es fundamental si se quiere utilizar estas partículas en computación o telecomunicaciones cuánticas.
Una plataforma experimental con patente propia
La hazaña no habría sido posible sin el desarrollo de un sistema experimental altamente especializado. El microscopio TR-ARPES utilizado en el estudio incluye una fuente de luz XUV construida a medida y un sistema de detección de electrones que funciona en una cámara de ultra alto vacío.
El equipo detrás del experimento ya ha registrado una patente en EE.UU. sobre esta tecnología. Esto subraya no solo el valor científico del trabajo, sino también su potencial de transferencia tecnológica a la industria cuántica emergente.
En resumen, este avance coloca a los excitones oscuros —y a los materiales 2D como el WS₂— en el centro de una nueva frontera científica. Una donde lo invisible se convierte en herramienta, y lo efímero, en futuro.
Referencias
- Xing Zhu, David R. Bacon, Vivek Pareek, Julien Madéo, Takashi Taniguchi, Kenji Watanabe, Michael K. L. Man, Keshav M. Dani. A holistic view of the dynamics of long-lived valley polarized dark excitonic states in monolayer WS₂. Nature Communications. https://doi.org/10.1038/s41467-025-61677-2.
Cortesía de Muy Interesante
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