Un semiconductor cu¨¢ntico hallado por casualidad bate el r¨¦cord de velocidad: hasta un mill¨®n de veces m¨¢s r¨¢pido

La f¨ªsica y la qu¨ªmica han reescrito en el ¨¢mbito cu¨¢ntico la f¨¢bula de la liebre y la tortuga m¨¢s de 2.500 a?os despu¨¦s de que la creara Esopo. Al igual que el animal m¨¢s lento venci¨® a la veloz liebre en una carrera gracias a su constancia y estrategia, un grupo de investigaci¨®n de la Universidad de Columbia (Nueva York-EE UU) ha hallado por casualidad un material superat¨®mico, denominado Re?Se?Cl? (compuesto por renio, selenio y cloro), que ha servido como semiconductor para que los electrones hayan recorrido en los experimentos micr¨®metros en menos de un nanosegundo. ¡°Te¨®ricamente, tienen el potencial de alcanzar los femtosegundos, seis ¨®rdenes de magnitud [10?] m¨¢s r¨¢pido que la velocidad alcanzable en la electr¨®nica 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 Qu¨ªmica de Columbia Milan Delor. El primero llev¨® al laboratorio el Re?Se?Cl?, crey¨¦ndolo un material sin alta capacidad de conducci¨®n, para probar los microscopios de superresoluci¨®n, que pueden capturar part¨ªculas que se mueven a escalas ultrarr¨¢pidas y ultramicrosc¨®picas. ¡°Fue lo contrario de lo que esper¨¢bamos. En lugar del movimiento lento que presum¨ªamos, vimos lo m¨¢s r¨¢pido que hemos visto nunca¡±, afirma Delor.

Seg¨²n el investigador, los semiconductores basados en silicio permiten un movimiento r¨¢pido de los electrones que no se preve¨ªa en el material superat¨®mico. Pero el experimento permiti¨® descubrir que, en el Re?Se?Cl?, el excit¨®n (un estado cu¨¢ntico formado por electrones que han absorbido energ¨ªa y el hueco generado cuando la part¨ªcula salta a un estado de energ¨ªa m¨¢s alto) se empareja con el fon¨®n, una cuasipart¨ªcula portadora de energ¨ªa y fundamental en la conductividad el¨¦ctrica. Esta asociaci¨®n genera una nueva cuasipart¨ªcula, denominada excit¨®n-polar¨®n ac¨²stico, m¨¢s pesada, pero que, de forma parad¨®jica, ha resultado ser m¨¢s veloz.

Delor recurre a la f¨¢bula de Esopo para explicarlo. En el silicio, los electrones pueden moverse a trav¨¦s de ¨¦l muy r¨¢pidamente, pero como la liebre, que se entretiene confiada en su capacidad, ¡°rebotan demasiado y no llegan muy lejos y muy r¨¢pido al final¡±. Por el contrario, en el material superat¨®mico, los excitones se emparejan con los fonones para avanzar, como la tortuga, ¡°lentamente, pero de forma constante,¡± en ¡°un flujo bal¨ªstico o libre de dispersi¨®n¡±. Este comportamiento es similar al de un fluido que discurriera sin fricci¨®n por un conducto y, por lo tanto, sin perder energ¨ªa cin¨¦tica.

¡°Al no verse obstaculizados en el camino, el excit¨®n-polar¨®n ac¨²stico se mueve en ¨²ltima instancia m¨¢s r¨¢pido en el Re?Se?Cl? que los electrones en el silicio¡±, resume el investigador.

En los experimentos, los excitones-polarones ac¨²sticos alcanzaron en el Re?Se?Cl? varios micr¨®metros 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, te¨®ricamente, ¡°podr¨ªan cubrir m¨¢s de 25 micr¨®metros en femtosegundos¡±.

Este potencial te¨®rico significa una velocidad un mill¨®n de veces mayor que el electr¨®n en el silicio, una proporci¨®n similar a la de la rapidez de la luz frente a la del sonido o frente a la de un avi¨®n a 900 kil¨®metros por hora. Los procesadores actuales de un ordenador son igualmente 10? m¨¢s r¨¢pidos que los de las computadoras de hace 20 a?os. ¡°En t¨¦rminos de transporte de energ¨ªa, Re?Se?Cl? es el mejor semiconductor que conocemos, al menos hasta ahora¡±, afirma Delor.

Jos¨¦ Luis Salmer¨®n, ajeno a la investigaci¨®n y director del Data Science Lab de la Universidad Cunef, explica la importancia del hallazgo: ¡°La transferencia de energ¨ªa e informaci¨®n en semiconductores se ve limitada por la dispersi¨®n entre portadores electr¨®nicos y fonones de la red, lo que resulta en p¨¦rdidas que restringen todas las tecnolog¨ªas de semiconductores. Usando un semiconductor superat¨®mico como el Re?Se?Cl?, los autores demuestran la formaci¨®n de excitones-polarones ac¨²sticos protegidos contra la dispersi¨®n de fonones¡±.

Salmer¨®n, incluido por Elsevier y la Universidad de Stanford en la ¨²ltima lista de los cient¨ªficos m¨¢s citados, destaca que el nuevo semiconductor presenta una estructura organizada en capas unidas por las fuerzas de Van der Waals: ¡°Son fuerzas atractivas que act¨²an entre ¨¢tomos y mol¨¦culas debido a fluctuaciones temporales en las distribuciones de carga electr¨®nica. Esta disposici¨®n 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 Re?Se?Cl? como un semiconductor superat¨®mico es su capacidad para exhibir propiedades electr¨®nicas excepcionales que trascienden las caracter¨ªsticas individuales de sus ¨¢tomos constituyentes¡±.

La aplicaci¨®n de este potencial en procesadores comerciales es limitada porque el semiconductor descubierto incluye renio, un elemento qu¨ªmico raro en la Tierra que se usa en superaleaciones a base de n¨ªquel o, junto con molibdeno y tungsteno, en motores aeron¨¢uticos, en catalizadores qu¨ªmicos y petroqu¨ªmicos o para revestimientos resistentes a la corrosi¨®n.

No obstante, tras dos a?os de trabajo, el equipo de investigadores cree que se puede recurrir a la combinaci¨®n de otros elementos para hallar semiconductores con capacidades similares a las del Re?Se?Cl?. ¡°Este es el ¨²nico material en el que se ha observado un transporte bal¨ªstico sostenido de excitones a temperatura ambiente. Pero ahora podemos empezar a predecir qu¨¦ otros materiales podr¨ªan ser capaces de este comportamiento que simplemente no hab¨ªamos considerado antes. Hay toda una familia de materiales semiconductores superat¨®micos y otros con propiedades favorables para la formaci¨®n de polarones ac¨²sticos¡±, asegura Delor.

Salmer¨®n, investigador asociado en la Aut¨®noma de Chile y cient¨ªfico principal de datos en Capgemini, se muestra de acuerdo: ¡°Este descubrimiento ofrece nuevas perspectivas en la b¨²squeda de materiales con aplicaciones revolucionarias en la electr¨®nica y la tecnolog¨ªa de semiconductores. Este descubrimiento no solo ampl¨ªa nuestro entendimiento de los semiconductores superat¨®micos, sino que tambi¨¦n abre nuevas posibilidades para el desarrollo de tecnolog¨ªas m¨¢s eficientes y avanzadas en el ¨¢mbito de la electr¨®nica y la inform¨¢tica¡±.

¡°En el caso espec¨ªfico del Re?Se?Cl?¡å, a?ade el investigador espa?ol, ¡°se ha observado un transporte de polar¨®n protegido, lo que significa que estas cuasipart¨ªculas pueden moverse de manera m¨¢s eficiente y menos afectadas por las interacciones con las vibraciones de la red. Esto puede tener implicaciones significativas en t¨¦rminos de eficiencia y velocidad en aplicaciones de semiconductores y electr¨®nica¡±.

¡°Se trata de un gran avance porque la capacidad de tener semiconductores bal¨ªsticos a temperatura ambiente representa un paso significativo hacia la mejora de la tecnolog¨ªa electr¨®nica en t¨¦rminos de eficiencia, velocidad y versatilidad de posibles aplicaciones¡±, concluye Salmer¨®n.

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