Cientistas da Universidade de Konstanz e da Universidade Paderborn conseguiram produzir e demonstrar o que é conhecido como localização Wannier-Stark pela primeira vez. Ao fazer isso, os físicos conseguiram superar obstáculos até então considerados intransponíveis no campo da optoeletrônica e fotônica. A localização Wannier-Stark causa desequilíbrio extremo no sistema elétrico de sólidos cristalinos. "Esse efeito fundamental foi previsto há mais de 80 anos. Mas não ficou claro desde então se esse estado pode ser percebido em um cristal em massa, isso é, no nível das ligações químicas entre os átomos, "diz o professor Alfred Leitenstorfer, professor de física experimental na Universidade de Konstanz. Análogos do efeito foram demonstrados até agora apenas em sistemas artificiais como superredes semicondutoras ou gases atômicos ultracold. Em um sólido a granel, A localização Wannier-Stark só pode ser mantida por um período de tempo extremamente curto, mais curto do que uma única oscilação de luz infravermelha. Usando os sistemas de laser ultrarrápido da Universidade de Konstanz, A localização Wannier-Stark agora foi demonstrada pela primeira vez. O experimento foi conduzido em um cristal de arsenieto de gálio de alta pureza cultivado em ETH Zurich usando crescimento epitaxial. Os resultados da pesquisa foram publicados em revista científica Nature Communications em 23 de julho de 2018.

Um cristal pode ser visualizado como uma grade tridimensional composta de pequenas contas que se repelem e são mantidas unidas apenas por elásticos. O sistema permanece estável enquanto o elástico for tão forte quanto a repulsão. Se esse é o caso, as contas nem se aproximam uma da outra, nem se afastam um do outro - a distância entre eles permanece quase a mesma. A localização Wannier-Stark ocorre quando os elásticos são removidos abruptamente. É o estado eletrônico que ocorre no momento preciso em que os elásticos já se foram, mas as contas ainda permanecem no lugar:as ligações químicas que mantêm o cristal unido foram suspensas.

Se este estado for mantido por muito tempo, as contas se quebrarão e o cristal se dissolverá. Para analisar a localização Wannier-Stark, os físicos tiveram que remover as estruturas estabilizadoras, capturar o sistema dentro de uma fração de uma oscilação de luz usando pulsos de luz, e finalmente estabilizá-lo novamente para evitar que os átomos se separem. O experimento foi possível através do campo elétrico altamente intenso de um pulso de luz infravermelha ultracurto, que está presente no cristal por apenas alguns femtossegundos. "É nisso que nos especializamos:estudar fenômenos que só existem em escalas de tempo muito curtas, "explica Alfred Leitenstorfer.

"Em isoladores e semicondutores perfeitos, estados eletrônicos se expandem por todo o cristal. De acordo com uma previsão de 80 anos, isso muda assim que a voltagem elétrica é aplicada, "diz o professor Torsten Meier da Paderborn University." Se o campo elétrico dentro do cristal for forte o suficiente, os estados eletrônicos podem ser localizados em alguns átomos. Este estado é chamado de escada Wannier-Stark, "explica o físico.

"Um sistema que se desvia tão extremamente de seu equilíbrio tem características completamente novas, "diz Alfred Leitenstorfer sobre por que este estado é tão interessante do ponto de vista científico. A localização Wannier-Stark de curta duração se correlaciona com mudanças drásticas na estrutura eletrônica do cristal e os resultados, por exemplo, em não linearidade óptica extremamente alta. Os cientistas também presumem que esse estado é quimicamente particularmente reativo.

A primeira realização experimental da localização de Wannier-Stark em um cristal de arseneto de gálio foi possível através da radiação Terahertz altamente intensa com intensidades de campo de mais de dez milhões de volts por centímetro. A aplicação de mais pulsos de luz ótica ultracurtos resultou em mudanças nas características óticas do cristal, que foi fundamental para provar este estado. "Se usarmos pulsos de luz adequadamente intensos consistindo em algumas oscilações durando cerca de dez femtossegundos apenas, podemos realizar a localização Wannier-Stark por um curto período de tempo, "diz Alfred Leitenstorfer." Nossas leituras correspondem às considerações teóricas e simulações realizadas por minha própria equipe de pesquisa e pela de meu colega, Professor Wolf Gero Schmidt, "acrescenta Torsten Meier. Os pesquisadores estão planejando estudar o estado extremo da localização Wannier-Stark na escala atômica com mais detalhes no futuro e pretendem tornar suas características particulares utilizáveis.