Semiconductor superatómico establece récord de velocidad

El semiconductor más rápido y eficiente hasta el momento. Llamado Re6Se8Cl2 es un semiconductor superatómico creado en el laboratorio.

Los semiconductores, en particular el silicio, sustentan las computadoras, los teléfonos celulares y otros dispositivos electrónicos que alimentan nuestra vida diaria, incluido el dispositivo en el que está leyendo este artículo.

Por muy omnipresentes que se hayan vuelto los semiconductores, tienen limitaciones.

La estructura atómica de cualquier material vibra, lo que crea partículas cuánticas llamadas fonones.

Los fonones, a su vez, hacen que las partículas (ya sean electrones o pares de electrones y huecos llamados excitones) que transportan energía e información alrededor de los dispositivos electrónicos se dispersen en cuestión de nanómetros y femtosegundos.

Esto significa que la energía se pierde en forma de calor y que la transferencia de información tiene un límite de velocidad.

La búsqueda de mejores opciones continúa.

Un equipo de químicos de la Universidad de Columbia dirigido por Jack Tulyag, estudiante de doctorado que trabaja con el profesor de química Milan Delor, describe el semiconductor más rápido y eficiente hasta el momento: un material superatómico llamado Re6Se8Cl2.

En lugar de dispersarse cuando entran en contacto con los fonones, los excitones del Re6Se8Cl2 en realidad se unen a los fonones para crear nuevas cuasipartículas llamadas excitones-polarones acústicos.

Aunque los polarones se encuentran en muchos materiales, los del Re6Se8Cl2 tienen una propiedad especial: son capaces de fluir balísticamente o sin dispersión.

Este comportamiento balístico podría significar algún día dispositivos más rápidos y eficientes.

En los experimentos realizados por el equipo, los excitones-polarones acústicos en Re6Se8Cl2 se movieron rápidamente (dos veces más rápido que los electrones en el silicio) y cruzaron varias micras de la muestra en menos de un nanosegundo.

Dado que los polarones pueden durar unos 11 nanosegundos, el equipo cree que los excitones-polarones podrían cubrir más de 25 micrómetros a la vez.

Y debido a que estas cuasipartículas están controladas por luz en lugar de una corriente eléctrica y una activación, las velocidades de procesamiento en dispositivos teóricos tienen el potencial de alcanzar femtosegundos, seis órdenes de magnitud más rápido que los nanosegundos que se pueden lograr con la electrónica actual de Gigahercios.

Todo a temperatura ambiente.

“En términos de transporte de energía, Re6Se8Cl2 es el mejor semiconductor que conocemos, al menos hasta ahora”, afirmó Delor.

Re6Se8Cl2 es un semiconductor superatómico creado en el laboratorio del colaborador Xavier Roy.

Los superátomos son grupos de átomos unidos que se comportan como un átomo grande, pero con propiedades diferentes a las de los elementos utilizados para construirlos.

Delor está interesado en controlar y manipular el transporte de energía a través de superátomos y otros materiales únicos desarrollados en Columbia.

Para ello, el equipo construye herramientas de imágenes de súper resolución que pueden capturar partículas que se mueven a escalas ultrapequeñas y ultrarrápidas.

Cuando Tulyag llevó por primera vez Re6Se8Cl2 al laboratorio, no fue para buscar un semiconductor nuevo y mejorado, sino para probar la resolución de los microscopios del laboratorio con un material que, en principio, no debería haber conducido gran cosa.

“Fue todo lo contrario de lo que esperábamos“, dijo Delor.

“En lugar del movimiento lento que esperábamos, vimos lo más rápido que jamás hayamos visto”.

Tulyag y sus pares del grupo Delor pasaron los siguientes dos años trabajando para determinar por qué Re6Se8Cl2 mostró un comportamiento tan notable, incluido el desarrollo de un microscopio avanzado con resolución espacial y temporal extrema que puede obtener imágenes directas de los polarones a medida que se forman y se mueven a través del material.

La química teórica Petra Shih, estudiante de doctorado que trabaja en el grupo de Timothy Berkelbach, también desarrolló un modelo de mecánica cuántica que proporciona una explicación para las observaciones.

Las nuevas cuasipartículas son rápidas, pero, contraintuitivamente, logran esa velocidad moviéndose a su propio ritmo, un poco como la historia de la tortuga y la liebre, explicó Delor.

Lo que hace que el silicio sea un semiconductor deseable es que los electrones pueden moverse a través de él muy rápidamente, pero, como la proverbial liebre, rebotan demasiado y al final no llegan muy lejos, ni muy rápido.

Los excitones en Re6Se8Cl2 son, comparativamente, muy lentos, pero es precisamente porque son tan lentos que pueden encontrarse y emparejarse con fonones acústicos de movimiento igualmente lento.

Las cuasipartículas resultantes son pesadas y, como la tortuga, avanzan lenta pero constantemente.

Sin el obstáculo de otros fonones en el camino, los excitones-polarones acústicos en Re6Se8Cl2 finalmente se mueven más rápido que los electrones en el silicio.

Como muchos de los materiales cuánticos emergentes que se están explorando en Columbia, Re6Se8Cl2 se puede pelar en láminas delgadas como un átomo, una característica que significa que potencialmente se pueden combinar con otros materiales similares en la búsqueda de propiedades únicas adicionales.

Sin embargo, es poco probable que Re6Se8Cl2 llegue alguna vez a convertirse en un producto comercial: el primer elemento de la molécula, el renio, es uno de los más raros del mundo y, como resultado, extremadamente caro.

Pero con la nueva teoría del grupo Berkelbach en la mano junto con la técnica de imágenes avanzada que Tulyag y el grupo Delor desarrollaron para rastrear directamente la formación y el movimiento de los polarones en primer lugar, el equipo está listo para ver si hay otros contendientes superatómicos capaces de batir el récord de velocidad del Re6Se8Cl2.

“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“.

Fuente: Science