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| 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 liebre proverbial, rebotan demasiado y al final no llegan muy lejos ni muy rápido. Los excitones del Re6Se8Cl2 son, comparativamente, muy lentos, pero precisamente porque son tan lentos pueden encontrarse y emparejarse con fonones acústicos que se mueven con la misma lentitud. Las cuasipartículas resultantes son "pesadas" y, como la tortuga, avanzan lenta pero constantemente. Sin que otros fonones se lo impidan, los excitones-polarones acústicos del Re6Se8Cl2 acaban moviéndose más rápido que los electrones del silicio. Crédito: Jack Tulyag, Universidad de Columbia |
El transporte de energía e información en los semiconductores está limitado por la dispersión entre los portadores electrónicos y los fonones de la red, lo que da lugar a un transporte difusivo y con pérdidas que frena todas las tecnologías de semiconductores.
Un equipo de químicos de la Universidad de Columbia describe el semiconductor más rápido y eficaz hasta la fecha: un material superatómico llamado Re6Se8Cl2. El Re6Se8Cl2 es un semiconductor superatómico creado en el laboratorio.
Los excitones del Re6Se8Cl2 interactúan con los fonones dispersándose y uniéndose a ellos para formar nuevas cuasipartículas conocidas como excitones-polarones acústicos. Aunque los polarons están presentes en una amplia gama de materiales, los de Re6Se8Cl2 son únicos porque pueden fluir de forma balística o sin dispersión. Algún día, estos comportamientos balísticos podrían dar lugar a tecnologías más rápidas y eficaces.
Los científicos observaron que los excitones-polarones acústicos del Re6Se8Cl2 viajaban el doble de rápido que los electrones del silicio, atravesando varias micras del material en menos de un nanosegundo. El equipo cree que los excitones-polarones recorren más de 25 micrómetros a la vez, ya que los polarones pueden durar aproximadamente 11 nanosegundos.
Además, las velocidades de procesamiento en los dispositivos teóricos podrían aproximarse a los femtosegundos, lo que supone seis órdenes de magnitud más rápidas que los nanosegundos disponibles en la electrónica contemporánea de gigahercios. Esto se debe a que todas estas cuasipartículas están controladas por la luz, y no por una corriente eléctrica y una compuerta, a temperatura ambiente.
En términos de transporte de energía, el Re6Se8Cl2 es el mejor semiconductor.
El Re6Se8Cl2 fue introducido inicialmente en el laboratorio por Jack Tulyag, un estudiante de doctorado, no en busca de un semiconductor mejor, sino para probar la resolución de los microscopios del laboratorio con un material que debería transportar poca energía.
El profesor de Química Milan Delor declaró: "Fue lo contrario de lo que esperábamos. En lugar del movimiento lento que esperábamos, vimos lo más rápido que hemos visto nunca".
Los científicos estaban ansiosos por conocer el mecanismo que explicaba por qué el Re6Se8Cl2 mostraba un comportamiento tan extraordinario. Desarrollaron un microscopio avanzado con una resolución espacial y temporal extrema que puede obtener imágenes directas de los polarones a medida que se forman y se mueven por el material.
Petra Shih, doctoranda en química teórica en el laboratorio de Timothy Berkelbach, también creó un modelo mecánico cuántico que explica las observaciones.
Contrariamente a la creencia popular, las nuevas cuasipartículas alcanzan su velocidad a un ritmo similar al del cuento de la tortuga y la liebre.
El hecho de que los electrones puedan viajar tan rápido por el silicio lo convierte en un semiconductor muy deseado; sin embargo, como la proverbial liebre, rebotan demasiado y no viajan muy pronto. Los excitones del Re6Se8Cl2 se mueven con relativa lentitud y, por ello, pueden acoplarse a otros fonones acústicos que se mueven a una velocidad similar.
Al igual que la tortuga, las cuasipartículas resultantes son "pesadas" y avanzan de forma gradual pero constante. Los excitones-polarones acústicos del Re6Se8Cl2 acaban viajando más rápido que los electrones del silicio, sin el obstáculo de otros fonones.
El Re6Se8Cl2 puede pelarse en láminas del grosor de un átomo, al igual que muchos otros nuevos materiales cuánticos que se investigan en Columbia. Esta propiedad implica que el material puede mezclarse con otros materiales comparables para buscar otras cualidades únicas. Dado que el primer elemento de la molécula, el renio, es uno de los más raros de la Tierra y, por tanto, muy caro, parece poco probable que el Re6Se8Cl2 llegue a convertirse en un producto comercial.
Sin embargo, armados con la nueva teoría del grupo de Berkelbach y el sofisticado método de obtención de imágenes que Tulyag y el grupo de Delor crearon para controlar directamente la formación y el movimiento de los polarones en primer lugar, el equipo está preparado para investigar si algún otro contendiente superatómico puede superar el récord de velocidad establecido por el Re6Se8Cl2.
Fuentes, créditos y referencias: