Semiconductores cuánticos descubiertos rompen accidentalmente un récord de velocidad: hasta un millón de veces más rápido | Ciencias

Más de 2.500 años después de que Esopo lo creara, la física y la química han reescrito el mito de la Liebre y la Tortuga, esta vez en el reino cuántico. Así como la lenta tortuga pudo vencer a la rápida liebre gracias a su fortaleza y estrategia, un grupo de investigación de la Universidad de Columbia en Nueva York tropezó accidentalmente con un material superatómico llamado Re₆Se₈Cl₂ (compuesto de renio, selenio y cloro), que actúa como semiconductor, que permite que los electrones en experimentos viajen micrómetros, en menos de un nanosegundo. “En teoría, tienen el potencial de alcanzar femtosegundos, es decir, seis órdenes de magnitud [10⁶] Los investigadores explicaron que esta tecnología es más rápida que la velocidad que se puede alcanzar con la electrónica actual de gigahercios a temperatura ambiente.

El resultado publicado en CienciasFue una coincidencia y gracias al estudiante Jacques Tullaj, que está trabajando en su doctorado con el profesor asistente de química de Columbia Milan E. Delors. El primero llevó Re₆Se₈Cl₂ al laboratorio, creyendo que era un material sin alta conductividad, para probar microscopios de súper resolución, que pueden capturar partículas en movimiento a escalas ultrarrápidas y supermicroscópicas. «Era lo contrario de lo que esperábamos», dice Delors. «En lugar de la cámara lenta que habíamos asumido, vimos la velocidad más rápida que jamás habíamos visto».

Según el investigador, los semiconductores basados ​​en silicio permiten un movimiento rápido de electrones que no se creía posible en materiales supraatómicos. El experimento condujo al descubrimiento de que en Re₆Se₈Cl₂, un excitón (un estado cuántico que consta de electrones que han absorbido energía y una brecha que se crea cuando una partícula salta a un estado de mayor energía) está acoplado con un fonón, una cuasipartícula portadora de energía. eso es clave para la conducción eléctrica. Esta conexión dio lugar a una nueva cuasipartícula, llamada excitón-polarón acústico, que es más pesada pero, paradójicamente, también más rápida.

Delors se basa en la fábula de Esopo para explicar cómo esto es posible. En el silicio, los electrones pueden moverse muy rápido, pero como un conejo, que confía demasiado en su capacidad, “rebotan mucho y al final no llegan muy lejos ni se mueven muy rápido”. Por el contrario, en los materiales superatómicos, los excitones se acoplan con los fonones para avanzar, como una tortuga, «lento pero seguro», en un «flujo balístico o sin dispersión». Este comportamiento es similar al de un fluido que fluye sin fricción a través de un canal, sin perder energía cinética.

“Al no tener obstáculos en el camino, el excitón-polarón acústico se mueve finalmente más rápido en Re₆Se₈Cl₈Cl₂ que los electrones en el silicio”, explica el investigador.

En experimentos, los polarones de excitones acústicos en Re₆Se₈Cl₈Cl₂ viajaron varios micrómetros dentro de la muestra en menos de un nanosegundo. Esta velocidad, teniendo en cuenta que puede permanecer estable durante unos 11 nanosegundos y controlarse con luz en lugar de electricidad, significa que, en teoría, “podría cubrir más de 25 micrómetros por femtosegundo”, según los cálculos de los investigadores.

Esta posibilidad teórica es un millón de veces más rápida que la velocidad de un electrón en el silicio, una comparación similar a la diferencia entre la velocidad de la luz y la velocidad del sonido o un avión que viaja a 560 millas por hora. Los procesadores de las computadoras actuales son 10⁶ más rápidos que los de hace 20 años. «En términos de transferencia de energía, Re₆Se₈Cl₂ es el mejor semiconductor que conocemos, al menos hasta ahora», afirma Delors.

José Luis Salmerón, director del Laboratorio de Ciencia de Datos de la Universidad Conev que no formó parte de la investigación, explica la importancia del hallazgo: “La transferencia de energía e información en semiconductores está limitada por la dispersión entre portadores electrónicos y fonones en la red , lo que provoca pérdidas que limitan todas las tecnologías de semiconductores”. Utilizando un semiconductor superatómico como el Re₆Se₈Cl₂, los autores demostraron la formación de polarones de excitones acústicos, que están protegidos contra la dispersión de fonones.

Salmeron -que aparece en la lista de los científicos más citados de Elsevier y la Universidad de Stanford- enfatiza que la nueva estructura semiconductora está organizada en capas unidas por fuerzas de van der Waals: “Se trata de fuerzas de atracción que actúan entre átomos y moléculas debido a fluctuaciones temporales en la carga electrónica. .” Distribuciones. Esta extraña disposición les confiere propiedades semiconductoras, lo que significa que pueden conducir la electricidad de forma diferente a los conductores y aislantes tradicionales. Lo que distingue al Re₆Se₈Cl₈Cl₂ como superconductor atómico es su capacidad para exhibir propiedades electrónicas excepcionales más allá de las propiedades individuales de sus átomos constituyentes.

Su aplicación potencial en procesadores comerciales es limitada porque los semiconductores descubiertos incluyen renio, un elemento químico de tierras raras utilizado en superaleaciones a base de níquel, junto con molibdeno y tungsteno, en motores de aviones, para catalizadores químicos y petroquímicos y para la corrosión. Recubrimientos resistentes.

Sin embargo, después de dos años de trabajo, el equipo de investigación cree que se pueden utilizar combinaciones de otros elementos para encontrar semiconductores con capacidades similares a las que se encuentran en el Re₆Se₈Cl₂. «Éste 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 otros materiales en los que no habíamos pensado antes y que podrían tener este comportamiento», afirma Delors. «Existe toda una familia de materiales. Superconductores atómicos y otros que tienen propiedades adecuadas para la formación de electrodos acústicos».

Salmerón, investigador asociado de la Universidad Autónoma de Chile y científico de datos senior de Capgemini, coincide: «Este descubrimiento ofrece nuevas perspectivas en la búsqueda de materiales con aplicaciones revolucionarias en electrónica y tecnología de semiconductores. Este descubrimiento amplía nuestra comprensión de los supersemiconductores atómicos». “No sólo abre nuevas posibilidades para desarrollar tecnologías más eficientes y avanzadas en electrónica e informática.

El investigador español añade: «En el caso concreto del Re₆Se₈Cl₂, se observó un transporte de polarones protegido, lo que significa que estas semipartículas pueden moverse más eficientemente y verse menos afectadas por las interacciones con las vibraciones de la red. Esto podría tener implicaciones importantes en términos de eficiencia y velocidad en aplicaciones de semiconductores”. Y electrónica.

“Este es un logro importante porque la capacidad de obtener semiconductores balísticos a temperatura ambiente es un paso importante hacia la mejora de la tecnología electrónica en términos de eficiencia, velocidad y diversidad de posibles aplicaciones”, concluye Salmerón.

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