Investigadores del ICFO superan un obstáculo en la detección de fotones individuales con materiales 2D girados

La capacidad de detectar fotones individuales (es decir, los paquetes de energía más pequeños que constituyen la radiación electromagnética) en el rango infrarrojo se ha convertido en una necesidad apremiante en numerosos campos, desde la toma de imagen médica y la astrofísica hasta las tecnologías cuánticas emergentes. En astronomía observacional, por ejemplo, la luz de objetos celestes distantes puede ser extremadamente tenue y requiere tener instrumentos con una sensibilidad excepcional en el infrarrojo medio. De igual manera, en la comunicación cuántica en el espacio libre —donde los fotones individuales deben viajar a través de grandes distancias— operar en el infrarrojo medio puede proporcionar ventajas clave en la claridad de la señal.

El uso generalizado de detectores de fotones individuales en este rango se ve realmente limitado por la necesidad de sistemas criogénicos grandes, costosos y de alto consumo energético para mantener la temperatura de los dispositivos por debajo de 1 grados Kelvin. Esto dificulta la integración de los detectores resultantes en los circuitos fotónicos modernos, la columna vertebral de las tecnologías de la información actuales.

Un equipo internacional de investigadores, liderado por ICFO, ha demostrado una forma de superar esta limitación. Han utilizado materiales bidimensionales (con un espesor de tan solo un átomo) para detectar fotones individuales de longitud de onda larga (hasta el infrarrojo medio) a temperaturas relativamente altas (alrededor de 25 grados Kelvin). Este hito ha despertado el interés de la Agencia Espacial Europea (ESA), que está en búsqueda de este tipo de detectores para la exploración espacial.

Los investigadores del ICFO, Dr. Krystian Nowakowski, Dr. Hitesh Agarwal, Dr. Julien Barrier, Dr. David Barcons Ruiz, Dr. Geng Li, Riccardo Bertini, Matteo Ceccanti, Dr. Iacopo Torre, Dr. Antoine Reserbat-Plantey, dirigidos por el Dr. Roshan Krishna Kumar y el Prof. ICREA del ICFO Frank Koppens, en colaboración con el Prof. Pablo Jarillo-Herrero, investigador y profesor del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) y profesor invitado distinguido del ICFO, así como investigadores de la Universidad de Manchester, la Universidad de Amberes, entre otras, han informado hoy de sus resultados en la revista Science.

Biestabilidad: un nuevo mecanismo para la detección de fotones individuales

“En nuestro grupo, combinamos diferentes materiales 2D. Los apilamos, los giramos y observamos qué sucede. Y, a veces, surgen sorpresas”, comenta Frank Koppens, Prof. ICREA del ICFO, autor senior del estudio y experto en materiales 2D desde hace muchos años.

Una ligera torsión entre las capas de estos materiales 2D induce un patrón de interferencia conocido como patrón moiré, que modifica las propiedades de los electrones en el material. Se han observado varias propiedades exóticas en estas redes moiré, como la superconductividad o el magnetismo orbital. En este trabajo, el ICFO, junto con el equipo internacional, ha añadido otra propiedad exótica a la lista: un fenómeno conocido como biestabilidad. La biestabilidad permite que un sistema se mantenga en dos estados distintos bajo las mismas condiciones externas, como un interruptor de luz que puede permanecer estable tanto en la posición de encendido como en la de apagado.

El equipo ha demostrado que la biestabilidad puede servir como un nuevo mecanismo para la detección de fotones individuales, una de esas sorpresas que describe Koppens. "Observamos que el material no se comportaba como esperábamos", recuerda. "Así que pensamos: 'Iluminémoslo un poco y veamos qué pasa'. Fue entonces cuando, de repente, observamos una sensibilidad extrema a la iluminación". Y cuanto más profundizaban, más claro se hacía que el material respondía a fotones individuales.

En cuanto a los resultados obtenidos en el experimento, el profesor Jarillo-Herrero destaca: "Este experimento demuestra el gran potencial de los dispositivos cuánticos de moiré, no solo en términos de ciencia fundamental, sino también para nuevas aplicaciones en tecnologías cuánticas".

Fotones individuales: la gota que colmó el vaso

El detector en sí es estructuralmente simple. Consiste en una bicapa de grafeno (una capa de átomos de carbono de un átomo de espesor, que presenta propiedades físicas relevantes) intercalada entre capas de nitruro de boro hexagonal (hBN), otro material bidimensional que actúa como escudo protector. A pesar de que suene simple el “construir el dispositivo fue complicado”, explica el Dr. Hitesh Agarwal, primer coautor del estudio, principalmente porque lograr la alineación precisa entre el grafeno bicapa y el hBN solo tuvo una tasa de éxito del 50 %. “Al final, logramos resolverlo gracias a un diseño cuidadoso y a las lecciones aprendidas en experimentos anteriores”, añade.

Entonces, ¿cómo detecta este dispositivo fotones individuales? Intuitivamente, la respuesta se puede comprender con una metáfora. Imaginemos una enorme caja vacía sobre una mesa y pongamos un puñado de granos de arroz (o gotas de agua) dentro. No ocurre nada. Pero ¿qué pasa si seguimos añadiendo más y más arroz? Con el tiempo, el peso se volverá excesivo y la mesa se derrumbará.

En el laboratorio, los investigadores diseñaron un sistema al borde del colapso. "En lugar de granos de arroz, tenemos corriente eléctrica fluyendo", afirma el Dr. Krystian Nowakowski, primer coautor del artículo. "Y cuando alcanzamos el punto crítico, el dispositivo no se rompe, sino que cambia repentinamente de un estado estable a otro. Cuando se absorbe un solo fotón, es como el grano de arroz o la gota que colma el vaso: desencadena la transición, y eso es lo que detectamos".

Pero ¿cómo exactamente un solo fotón inclina el sistema? "Es algo que a todos nos encantaría saber", admite el Dr. Nowakowski. "Tenemos algunas hipótesis por ahora, pero necesitamos realizar más experimentos para poder discernir entre ellas". Por ahora, tendremos que convivir con el misterio.

Lo que sí está claro es que este mecanismo difiere fundamentalmente de los procesos convencionales basados en superconductores o semiconductores. Fue precisamente este mecanismo subyacente el que permitió al dispositivo detectar fotones de longitud de onda larga (hasta el infrarrojo medio) a temperaturas relativamente altas (alrededor de 25 grados Kelvin). “El singular mecanismo físico que sustenta la arquitectura de nuestro detector nos permite superar las limitaciones fundamentales que frenaban el avance de las tecnologías anteriores”, comparte el Dr. Krishna Kumar, cosupervisor del trabajo.

El equipo está centrado ahora en compactar el sistema y aumentar aún más la temperatura de funcionamiento, ya que este suele ser el factor decisivo para el uso de un detector determinado. Sin embargo, muchos otros factores influyen a la hora de determinar si una tecnología determinada se volverá práctica. Tal vez este nuevo método para detectar fotones individuales no resulte útil para estudiar galaxias distantes, moléculas médicamente relevantes o portadores de información cuántica, o tal vez se convierta en un punto de inflexión.

Referencia: Single-photon detection enabled by negative differential conductivity in moiré superlattices, K. Nowakowski, H. Agarwal, S. Slizovskiy , R.Smeyers , X. Wang , Z. Zheng , J. Barrier , D. Barcons Ruiz, G. Li , R. Bertini, M. Ceccanti, I. Torre, B. Jorissen, A. Reserbat-Plantey, K. Watanabe, T. Taniguchi, L. Covaci, M. V. Milošević , V. Fal’ko , P. Jarillo-Herrero, R. Krishna Kumar, F. H. L. Koppens, 2025, Science, Doi:  XXX

ENLACES

Enlace a un video resumen del trabajo (Inglé)s