La luz empieza a llegar a los 'chips'

El mundo est¨¢ cercado por la luz. Las fibras de cristal ¨®ptico transmiten ondas l¨¢ser cargadas de informaci¨®n a trav¨¦s de miles de kil¨®metros en un abrir y cerrar de ojos. Las fibras ¨®pticas pueden transmitir mucha m¨¢s informaci¨®n que los cables de cobre. Y cada fibra viene a ser del grosor de un cabello humano, as¨ª que son mucho m¨¢s ligeras: unos cuantos gramos de fibra ¨®ptica hacen el mismo trabajo que varias toneladas de cobre.

Mientras tanto, los l¨¢ser miniaturizados de estado s¨®lido, de materiales semiconductores, se utilizan para leer los discos compactos y en los prototipos de sistemas de almacenamiento de datos basados en la luz, como los discos ¨®ptico-magn¨¦ticos, que tienen potencialmente una capacidad de almacenamiento mayor que los discos duros magn¨¦ticos convencionales.

Por ahora, un mensaje electr¨®nico, por ejemplo, se convierte primero de formato electr¨®nico a fot¨®nico antes de ser transmitido. Y la se?al de luz que llega al otro lado se vuelve a convertir a formato electr¨®nico antes de ser procesado por el ordenador del receptor. Los investigadores esperan hallar formas de procesar las se?ales codificadas en luz, en lugar de limitarse a transmitirlas de esa forma, para que la tecnolog¨ªa fot¨®nica pueda sustituir a la electr¨®nica. Este sue?o sigue estando lejano; el h¨ªbrido actual, la optoelectr¨®nica, parece que durar¨¢.

Procesamiento y transmisi¨®n

La versi¨®n actual de la optoelectr¨®nica es un matrimonio a la fuerza, en el que ninguna de las dos partes parece ser muy feliz. El procesamiento y la transmisi¨®n de la informaci¨®n basada en la luz necesita los l¨¢ser y otras fuentes de luz, como los diodos emisores de luz. La industria de la microelectr¨®nica, por otra parte, usa los transistores como aparatos de conmutaci¨®n y fabrica sus componentes con silicio; nadie ha conseguido todav¨ªa fabricar un l¨¢ser de silicio.

El silicio es un semiconductor, un material cuya conductividad el¨¦ctrica se puede ajustar con precisi¨®n. Los l¨¢ser de los aparatos reproductores de discos compactos est¨¢n hechos de distintos semiconductores, principalmente de arseniuro de galio. ?ste fue el componente del primer l¨¢ser semiconductor en estado s¨®lido, construido en 1962. Desde entonces, la industria se ha quedado atascada.

Pero el arseniuro de galio y el silicio no se llevan bien. Ambos son cristalinos, sus ¨¢tomos se distribuyen en filas regulares, como los huevos en una caja. Desgraciadamente, las cajas son de distintos tama?os: la distancia entre los ¨¢tomos adyacentes en el silicio (la constante del entramado) es distinta de la del arseniuro de galio.

Por tanto, al intentar hacer crecer una capa de arseniuro de galio sobre una l¨¢mina de silicio se provoca el caos en la interfaz. Los ¨¢tomos preferir¨ªan encajarse, y un material o el otro se estira o se encoge en su superficie, produciendo un efecto de cuarteado en la pel¨ªcula de arseniuro de galio, lo que arruina sus propiedades de conductor el¨¦ctrico y lo declara in¨²til como l¨¢ser en estado s¨®lido. Lo mismo sucede con otros semiconductores que emiten luz.

As¨ª pues, los l¨¢ser miniatura no se pueden construir f¨¢cilmente sobre un microprocesador de silicio en un circuito microelectr¨®nico. Para empeorar a¨²n m¨¢s las cosas, estos otros semiconductores cuestan m¨¢s que el silicio.

Las cosas ser¨ªan mucho m¨¢s f¨¢ciles si el silicio se comportara como el arseniuro de galio, emitiendo luz cuando se le estimula electr¨®nicamente. Pero no lo hace. Los cient¨ªficos llevan m¨¢s de una d¨¦cada intentando extraer luz del silicio para que la optoelectr¨®nica se pueda basar en un solo material.

Una idea es drogar el silicio con ¨¢tomos que son buenos emisores de luz, como los del metal erbio. Esto funciona, pero no tan bien como para hacer aparatos pr¨¢cticos: el silicio drogado con erbio emite una luz demasiado tenue.

Otra posibilidad es usar compuestos cristalinos del silicio emisores de luz y que se asienten con comodidad sobre el silicio. Uno de ellos es el silicato de cerio: en 1999, Won Chel Choi y sus compa?eros del Instituto Coreano de Ciencia y Tecnolog¨ªa de Se¨²l demostraron que este material puede crecer sobre el silicio y emite una luz azul y violeta cuando es estimulado por otro l¨¢ser.

Pero una de las ideas m¨¢s prometedoras es la de tallar el silicio en estructuras tan peque?as que su comportamiento se altere por las leyes de la mec¨¢nica cu¨¢ntica y as¨ª transformarlo de un mal emisor de luz en uno bueno.

Leig Canham, de la Agencia de Investigaci¨®n de Defensa de Malvern (Reino Unido), descubri¨® en 1990 que el silicio tratado con un ¨¢cido fuerte se vuelve muy poroso, como una esponja. El silicio poroso est¨¢ hecho de alambres cu¨¢nticos de s¨®lo unos pocos nan¨®metros (millon¨¦simas de mil¨ªmetro) de espesor. Estos alambres brillan cuando son atravesados por una corriente.

M¨¢s a¨²n, el color de este brillo se altera con el espesor de los alambres. Canham hizo primero silicio poroso que brillaba en rojo; luego se han hecho versiones en amarillo, verde y azul. Pero los alambres finos son muy fr¨¢giles.

En 1996, Philippe Fauchet y sus colegas de la Universidad de Rochester (Nueva York) demostraron que este m¨¦todo puede en realidad suministrar una optoelectr¨®nica integrada. Hicieron un diodo de silicio poroso en un microprocesador que emit¨ªa luz (de un material llamado ¨®xido de silicio rico en silicio). Estos diodos emisores de luz (LED) mejoran con rapidez, pero todav¨ªa son demasiado ineficaces a la hora de convertir la electricidad en luz para ser aparatos econ¨®micamente viables. Los diodos emisores de luz est¨¢n muy bien, pero lo que la optoelectr¨®nica necesita son l¨¢ser. Canham dice: 'Si se pudiera crear un l¨¢ser que fuera todo de silicio revolucionar¨ªa el dise?o de los superordenadores y conducir¨ªa a nuevos tipos de aparatos optoelectr¨®nicos'.

El primer paso hacia un aparato de este tipo se anunci¨® el pasado noviembre. Un equipo italiano encabezado por Lorenzo Pavesi, de la Universidad de Trento, consigui¨® extraer del silicio algo parecido a la luz l¨¢ser aprovechando el truco de Canham. Pavesi hizo motas cu¨¢nticas (peque?os trozos de silicio de unos pocos nan¨®metros de ancho, cada uno con s¨®lo unos 500 ¨¢tomos) disparando un haz de iones hacia cuarzo, una forma natural del di¨®xido de silicio.

Estas motas cu¨¢nticas demostraron ser buenas emisoras de luz roja, pero fueron capaces de algo m¨¢s. La luz l¨¢ser surge cuando la emisi¨®n desde ciertas partes del material emisor estimula la emisi¨®n de las otras partes. El grupo de Pavesi comprob¨® este proceso de emisi¨®n estimulada en su material. Cuando se enviaba a la muestra un rayo l¨¢ser de sondeo del mismo color de la luz emitida aumentaba su brillo. Demostrar esta ganancia ¨®ptica, dice Canham, 'es un paso esencial hacia la fabricaci¨®n de un l¨¢ser de silicio, pero no es el final de la historia'. Hay todav¨ªa mucho trabajo por hacer antes de que los chips de silicio empiecen a brillar con luz l¨¢ser.

El pasado diciembre, unos investigadores suizos dirigidos por Ulf Gennser (Instituto Paul Scherrer de Villingen) exploraron una v¨ªa distinta haciendo un semiconductor l¨¢ser a partir de m¨²ltiples capas muy finas y cuidadosamente elaboradas de silicio y germanio.

L¨¢ser cu¨¢nticos de cascada como ¨¦ste se hicieron por primera vez en 1994 a partir de semiconductores emisores de luz tradicionales, como el arseniuro de indio galio. Pero todav¨ªa son demasiado ineficaces y costosos para ser elementos pr¨¢cticos en la tecnolog¨ªa de la optoelectr¨®nica del silicio.