noviembre 29, 2023

La física y la química han reescrito en el ámbito cuántico la fábula de la liebre y la tortuga más de 2.500 años después de que la creara Esopo. Al igual que el animal más lento venció a la veloz liebre en una carrera gracias a su constancia y estrategia, un grupo de investigación de la Universidad de Columbia (Nueva York-EE UU) ha hallado por casualidad un material superatómico, denominado Re₆Se₈Cl₂ (compuesto por renio, selenio y cloro), que ha servido como semiconductor para que los electrones hayan recorrido en los experimentos micrómetros en menos de un nanosegundo. “Teóricamente, tienen el potencial de alcanzar los femtosegundos, seis órdenes de magnitud [10⁶] más rápido que la velocidad alcanzable en la electrónica actual de gigahercios y a temperatura ambiente”, explican los investigadores.

El hallazgo, publicado en Science, ha sido casual y gracias al estudiante Jack Tulyag, que trabaja en su doctorado con el profesor de Química de Columbia Milan Delor. El primero llevó al laboratorio el Re₆Se₈Cl₂, creyéndolo un material sin alta capacidad de conducción, para probar los microscopios de superresolución, que pueden capturar partículas que se mueven a escalas ultrarrápidas y ultramicroscópicas. “Fue lo contrario de lo que esperábamos. En lugar del movimiento lento que presumíamos, vimos lo más rápido que hemos visto nunca”, afirma Delor.

Según el investigador, los semiconductores basados en silicio permiten un movimiento rápido de los electrones que no se preveía en el material superatómico. Pero el experimento permitió descubrir que, en el Re₆Se₈Cl₂, el excitón (un estado cuántico formado por electrones que han absorbido energía y el hueco generado cuando la partícula salta a un estado de energía más alto) se empareja con el fonón, una cuasipartícula portadora de energía y fundamental en la conductividad eléctrica. Esta asociación genera una nueva cuasipartícula, denominada excitón-polarón acústico, más pesada, pero que, de forma paradójica, ha resultado ser más veloz.

Gráfico representativo del comportamiento de las partículas en los distintos semiconductores que rememora la fábula de Esopo.Jack Tulyag / Columbia University

Delor recurre a la fábula de Esopo para explicarlo. En el silicio, los electrones pueden moverse a través de él muy rápidamente, pero como la liebre, que se entretiene confiada en su capacidad, “rebotan demasiado y no llegan muy lejos y muy rápido al final”. Por el contrario, en el material superatómico, los excitones se emparejan con los fonones para avanzar, como la tortuga, “lentamente, pero de forma constante,” en “un flujo balístico o libre de dispersión”. Este comportamiento es similar al de un fluido que discurriera sin fricción por un conducto y, por lo tanto, sin perder energía cinética.

“Al no verse obstaculizados en el camino, el excitón-polarón acústico se mueve en última instancia más rápido en el Re₆Se₈Cl₂ que los electrones en el silicio”, resume el investigador.

En los experimentos, los excitones-polarones acústicos alcanzaron en el Re₆Se₈Cl₂ varios micrómetros de la muestra en menos de un nanosegundo. Esta velocidad, teniendo en cuenta que pueden permanecer estables unos 11 nanosegundos y ser controlados con luz en vez de con electricidad, permite a los investigadores calcular que, teóricamente, “podrían cubrir más de 25 micrómetros en femtosegundos”.

Mecánica Cuántica
Milan Delor, último de la derecha, y Jack Tulyag, antepenúltimo, en una imagen de los integrantes del laboratorio de la Universidad de Columbia.Delor Labs

Este potencial teórico significa una velocidad un millón de veces mayor que el electrón en el silicio, una proporción similar a la de la rapidez de la luz frente a la del sonido o frente a la de un avión a 900 kilómetros por hora. Los procesadores actuales de un ordenador son igualmente 10⁶ más rápidos que los de las computadoras de hace 20 años. “En términos de transporte de energía, Re₆Se₈Cl₂ es el mejor semiconductor que conocemos, al menos hasta ahora”, afirma Delor.

José Luis Salmerón, ajeno a la investigación y director del Data Science Lab de la Universidad Cunef, explica la importancia del hallazgo: “La transferencia de energía e información en semiconductores se ve limitada por la dispersión entre portadores electrónicos y fonones de la red, lo que resulta en pérdidas que restringen todas las tecnologías de semiconductores. Usando un semiconductor superatómico como el Re₆Se₈Cl₂, los autores demuestran la formación de excitones-polarones acústicos protegidos contra la dispersión de fonones”.

Salmerón, incluido por Elsevier y la Universidad de Stanford en la última lista de los científicos más citados, destaca que el nuevo semiconductor presenta una estructura organizada en capas unidas por las fuerzas de Van der Waals: “Son fuerzas atractivas que actúan entre átomos y moléculas debido a fluctuaciones temporales en las distribuciones de carga electrónica. Esta disposición peculiar le confiere propiedades semiconductoras, lo que significa que puede conducir electricidad de manera distinta a los conductores y aislantes convencionales. Lo que distingue al Re₆Se₈Cl₂ como un semiconductor superatómico es su capacidad para exhibir propiedades electrónicas excepcionales que trascienden las características individuales de sus átomos constituyentes”.

La aplicación de este potencial en procesadores comerciales es limitada porque el semiconductor descubierto incluye renio, un elemento químico raro en la Tierra que se usa en superaleaciones a base de níquel o, junto con molibdeno y tungsteno, en motores aeronáuticos, en catalizadores químicos y petroquímicos o para revestimientos resistentes a la corrosión.

El profesor de Química de la Universidad de Columbia Milan Delor.
El profesor de Química de la Universidad de Columbia Milan Delor.Universidad de Columbia

No obstante, tras dos años de trabajo, el equipo de investigadores cree que se puede recurrir a la combinación de otros elementos para hallar semiconductores con capacidades similares a las del Re₆Se₈Cl₂. “Este es el único material en el que se ha observado un transporte balístico sostenido de excitones a temperatura ambiente. Pero ahora podemos empezar a predecir qué otros materiales podrían ser capaces de este comportamiento que simplemente no habíamos considerado antes. Hay toda una familia de materiales semiconductores superatómicos y otros con propiedades favorables para la formación de polarones acústicos”, asegura Delor.

Salmerón, investigador asociado en la Autónoma de Chile y científico principal de datos en Capgemini, se muestra de acuerdo: “Este descubrimiento ofrece nuevas perspectivas en la búsqueda de materiales con aplicaciones revolucionarias en la electrónica y la tecnología de semiconductores. Este descubrimiento no solo amplía nuestro entendimiento de los semiconductores superatómicos, sino que también abre nuevas posibilidades para el desarrollo de tecnologías más eficientes y avanzadas en el ámbito de la electrónica y la informática”.

“En el caso específico del Re₆Se₈Cl₂″, añade el investigador español, “se ha observado un transporte de polarón protegido, lo que significa que estas cuasipartículas pueden moverse de manera más eficiente y menos afectadas por las interacciones con las vibraciones de la red. Esto puede tener implicaciones significativas en términos de eficiencia y velocidad en aplicaciones de semiconductores y electrónica”.

“Se trata de un gran avance porque la capacidad de tener semiconductores balísticos a temperatura ambiente representa un paso significativo hacia la mejora de la tecnología electrónica en términos de eficiencia, velocidad y versatilidad de posibles aplicaciones”, concluye Salmerón.

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