Agencias, Ciudad de México.- Los semiconductores -sobre todo el silicio- son la base de los ordenadores, teléfonos móviles y otros dispositivos electrónicos, pero a pesar de su omnipresencia tienen limitaciones. Ahora, un grupo de científicos asegura haber identificado uno superatómico capaz de batir récord de velocidad.

Se trata de un material llamado Re6Se8Cl2 y, según los investigadores de la Universidad de Columbia, Estados Unidos, es el semiconductor más rápido y eficaz hasta la fecha. El hallazgo, fruto de una casualidad, se publica en la revista Science.

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

La Universidad de Columbia explica que cuando el estudiante de doctorado Jack Tulyag trajo por primera vez el Re6Se8Cl2 al laboratorio de Delor, no lo hizo para buscar un semiconductor nuevo y mejorado, sino para probar la resolución de los microscopios con un material que, en principio, no debería haber conducido casi nada.

“Fue lo contrario de lo que esperábamos”, apunta Delor. “En lugar del movimiento lento que esperábamos, vimos lo más rápido que hemos visto nunca”.

El hallazgo podría ayudar a superar las deficiencias de los semiconductores, aseguran los científicos.

Los semiconductores tienen sus limitaciones. La estructura atómica de cualquier material vibra, lo que crea unas partículas cuánticas llamadas fonones.

A su vez, los fonones hacen que las partículas -electrones o excitones- que transportan la energía y la información por los dispositivos electrónicos se dispersen en cuestión de nanómetros y femtosegundos.

Superatomic #semiconductor sets a speed record for ballistic flow @columbia @sciencemagazine https://t.co/PIqVMYfYAH https://t.co/dSB6WKuMpf

— Phys.org (@physorg_com) October 26, 2023

Esto significa que la energía se pierde en forma de calor y que la transferencia de información tiene un límite de velocidad, por eso se buscan mejores opciones.

Y una de ellas es este material denominado Re6Se8Cl2. En su caso, en lugar de dispersarse cuando entran en contacto con los fonones, los excitones se unen a ellos para crear nuevas cuasipartículas llamadas excitones-polarones acústicos.

Estas nuevas cuasipartículas en Re6Se8Cl2 tienen una propiedad especial: son capaces de fluir de forma balística o sin dispersión. Esto podría traducirse algún día en dispositivos más rápidos y eficientes, concluyen los investigadores.

En los experimentos realizados por el equipo, estas cuasipartículas se movían con rapidez -el doble que los electrones del silicio- y cruzaban varias micras de la muestra en menos de un nanosegundo.

Las nuevas cuasipartículas son rápidas, pero, contrariamente a la intuición, alcanzan esa velocidad a su propio ritmo, un poco como en la fábula de la tortuga y la liebre -en la que se premia la constancia-, detalla Delor.

Lo que hace que el silicio sea un semiconductor deseable es que los electrones pueden moverse por él muy deprisa, pero, como la liebre, rebotan demasiado y al final no llegan muy lejos ni muy deprisa.

Los excitones del Re6Se8Cl2 son, comparativamente, muy lentos, pero precisamente porque lo son tanto 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”, resume el investigador.

El transporte de energía e información en los semiconductores está limitado por la dispersión entre portadores electrónicos y fonones reticulares, lo que da como resultado un transporte difuso y con pérdidas que restringe todas las tecnologías de semiconductores. Utilizando Re6Se8Cl2, un semiconductor superatómico de Van der Waals (vdW), demostramos la formación de excitones-polarones acústicos, una cuasipartícula electrónica protegida de la dispersión de fonones.

Tomaron imágenes directamente del transporte de polarones en Re6Se8Cl2 a temperatura ambiente, revelando una propagación cuasi balística en forma de onda sostenida durante un nanosegundo y varios micrómetros. El transporte de polarones blindados conduce a longitudes de propagación de energía electrónica de órdenes de magnitud mayores que en otros semiconductores vdW, superando incluso al silicio en un nanosegundo.

Los investigadores proponen que, de manera contraria a la intuición, las bandas electrónicas cuasi planas y el fuerte acoplamiento excitón-fonón acústico son juntos responsables de las propiedades de transporte de Re6Se8Cl2, estableciendo un camino hacia semiconductores balísticos a temperatura ambiente.

New Research | A team @ChemColumbia led by Jack Tulyag @eikonaal, a PhD student working with chemistry professor Milan Delor, describes the fastest and most efficient semiconductor yet: a superatomic material called Re6Se8Cl2. https://t.co/nG3xmpdUR0 pic.twitter.com/w8MIecEAFt

— Columbia Quantum Initiative (@ColumbiaQuantum) October 26, 2023