Un semiconductor cuántico hallado por casualidad bate el récord de velocidad: hasta miles y miles de veces más veloz | Tecnología

La física y la química han reescrito en el campo cuántico la fábula de la liebre y la tortuga más de dos mil quinientos años una vez que la crease Esopo. Al igual que el animal más lento venció a la veloz liebre en una carrera merced a su perseverancia y estrategia, un conjunto de investigación de la Universidad de Columbia (Nueva York-EE UU) ha hallado por casualidad un material superatómico, llamado Re₆Se₈Cl₂ (compuesto por renio, selenio y cloro), que ha servido como semiconductor a fin de que los electrones hayan recorrido en los ensayos 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 estudiosos.

El descubrimiento, publicado en Science, ha sido casual y merced al estudiante Jack Tulyag, que trabaja en su doctorado con el maestro 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 apresar 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”, asevera Delor.

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

Delor recurre a la fábula de Esopo para explicarlo. En el silicio, los electrones pueden moverse a través de él muy velozmente, mas 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 “un flujo balístico o libre de dispersión”. Este comportamiento es afín al de un fluido que discurriese sin fricción por un conducto y, en consecuencia, 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 estudioso.

En los ensayos, los excitones-polarones acústicos alcanzaron en el Re₆Se₈Cl₂ múltiples micrómetros de la muestra en menos de un nanosegundo. Esta velocidad, teniendo presente que pueden continuar estables unos once nanosegundos y ser controlados con luz en vez de con electricidad, deja a los estudiosos calcular que, en teoría, “podrían cubrir más de 25 micrómetros en femtosegundos”.

Este potencial teorético significa una velocidad miles y miles de veces mayor que el electrón en el silicio, una proporción afín a la de la velocidad de la luz en frente de la del sonido o en frente de la de un aeroplano a novecientos quilómetros por hora. Los procesadores actuales de un PC son del mismo modo 10⁶ más veloces que los de las computadoras de hace veinte años. “En términos de transporte de energía, Re₆Se₈Cl₂ es el mejor semiconductor que conocemos, al menos hasta ahora”, asevera Delor.

José Luis Salmerón, extraño a la investigación y directivo del Data Science Lab de la Universidad Cunef, explica la relevancia 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, resalta 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 pues el semiconductor descubierto incluye renio, un factor químico extraño en la Tierra que se usa en superaleaciones a base de níquel o, así como molibdeno y tungsteno, en motores aeronáuticos, en catalizadores químicos y petroquímicos o para recubrimientos resistentes a la corrosión.

No obstante, tras un par de años de trabajo, el equipo de estudiosos piensa que se puede recurrir a la combinación de otros elementos para encontrar semiconductores con capacidades afines 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, estudioso asociado en la Autónoma de Chile y científico primordial 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”.

“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.