Los semiconductores (materiales que se sitúan en el punto medio entre conductores como los metales y aislantes como el vidrio) sustentan toda nuestra electrónica moderna. Estos semiconductores, fabricados en su mayoría de silicio, comprenden los módulos de memoria, microprocesadores y otros chips que se encuentran en prácticamente todos los dispositivos electrónicos, desde teléfonos inteligentes hasta tostadoras. Pero no son perfectos.
Todos los semiconductores tienen topes de velocidad cuánticos, lo que les hace perder energía en forma de calor. Sin embargo, investigadores de la Universidad de Columbia han encontrado un nuevo semiconductor superatómico que es más eficiente que cualquier otro semiconductor anterior. En experimentos, este semiconductor transportaba cuasipartículas dos veces más rápido que los electrones a través del silicio, lo que lo convierte en el semiconductor más rápido del mundo.
Un avance rápido
Todo material, hasta su estructura atómica, vibra. Estas vibraciones generan partículas cuánticas conocidas como fonones. Ahora bien, aquí es donde las cosas se ponen complicadas. Estos fonones hacen que las partículas portadoras de energía en nuestros dispositivos se dispersen, lo que ralentiza la transferencia de información. Sin embargo, un semiconductor superatómico llamado Re6Se8Cl2 no sigue estas reglas.
A diferencia de los materiales típicos, donde las partículas de energía se dispersan al encontrarse con los fonones, en el Re6Se8Cl2 se unen. Esta unión forma cuasipartículas únicas, conocidas como excitones-polarones acústicos. Estas no son sólo tus partículas cotidianas; pueden moverse sin dispersarse, lo que potencialmente presagia dispositivos más rápidos y eficientes.
Las cuasipartículas no sólo atravesaron Re6Se8Cl2 a velocidades el doble que las de los electrones del silicio, sino que también cubrieron grandes distancias. Y en lugar de electricidad, estas cuasipartículas estaban controladas por luz, lo que significa que los dispositivos basados en esta configuración podrían teóricamente realizar ciclos en la escala de femtosegundos, seis órdenes de magnitud más rápido que el nanosegundo que se puede lograr con los chips Gigahertz actuales. Todo esto se puede lograr a temperatura ambiente.
“En términos de transporte de energía, Re6Se8Cl2 destaca como el mejor semiconductor que hemos identificado”, comenta el profesor Milan Delor de la Universidad de Columbia.
La tortuga y la liebre de los semiconductores
El viaje de Re6Se8Cl2 comenzó en el laboratorio del Dr. Xavier Roy del Departamento de Química de la Universidad de Columbia, donde se especializan en la elaboración de superaátomos. Se trata de grupos de átomos que actúan como uno solo, a menudo con propiedades distintas de las de sus elementos constituyentes. Re6Se8Cl2 está formado por átomos de renio (Re), selenio (Se) y cloro (Cl).
Cuando Jack Tulyag, estudiante de doctorado en el laboratorio de Milán, llamó la atención de todos por primera vez, el objetivo no era encontrar un semiconductor innovador. Más bien, el objetivo era probar la resolución de su nuevo y elegante microscopio en este material. El superátomo parecía lo suficientemente complejo para realizar el trabajo. Pero los resultados los sorprendieron. En lugar de un movimiento lento, presenciaron una velocidad sin precedentes.
Al explicar este fenómeno, Delor establece un paralelo con la fábula de la tortuga y la liebre. El atractivo del silicio reside en sus electrones que se mueven rápidamente. Pero se dispersan, como la liebre apresurada, que acaba sin cubrir mucho terreno. Compara esto con los excitones en Re6Se8Cl2. Son lentos, pero se fusionan con fonones de movimiento igualmente lento. Como la proverbial tortuga, estas cuasipartículas resultantes avanzan lenta pero constantemente. En última instancia, el superatomo facilita un movimiento más rápido que los electrones en el silicio.
La caza continúa
Si bien el potencial del Re6Se8Cl2 es apasionante, hay un problema. El elemento renio, un componente clave, se encuentra entre los más raros de nuestro planeta, lo que lo convierte en una opción costosa. Con toda probabilidad, este tipo de superátomo nunca llegará a los dispositivos cotidianos. Pero el descubrimiento ha abierto muchas puertas. Con nuevas teorías y técnicas de imágenes, el equipo está ansioso por descubrir otros materiales superatómicos que podrían incluso superar al Re6Se8Cl2, quizás uno que incorpore elementos químicos más fácilmente disponibles.
“Este es el único material en el que alguien ha visto un transporte sostenido de excitones balísticos a temperatura ambiente. Pero ahora podemos comenzar a predecir qué otros materiales podrían ser capaces de este comportamiento que simplemente no habíamos considerado antes”, dijo Delor. “Existe toda una familia de materiales semiconductores superatómicos y otros materiales semiconductores 2D con propiedades favorables para la formación de polarones acústicos”.
La carrera por el semiconductor definitivo está lejos de terminar. Y con cada paso que damos, nos acercamos más a un futuro en el que nuestros dispositivos podrían pensar y actuar más rápido de lo que podemos imaginar.
Los hallazgos aparecieron en la revista Science.
Fuente: ZME Science.
