Los semiconductores, especialmente el silicio, son el motor detrás de una gran variedad de dispositivos electrónicos, desde ordenadores hasta teléfonos móviles. Sin embargo, y a pesar de su omnipresencia, tienen sus limitaciones. Esto ha provocado que, durante años, científicos de España y del resto del mundo busquen fórmulas para mejorarlos. Con la expectación todavía reciente provocada por el LK-99, el primer superconductor a temperatura ambiente, cuyos resultados todavía están en entredicho, hoy se ha conocido un nuevo hito. Viene de la mano de un equipo de químicos de la Universidad de Columbia (Nueva York), responsable de un nuevo semiconductor superatómico capaz de establecer un récord de velocidad en la transmisión de energía.

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La estructura atómica de cualquier material vibra, creando partículas cuánticas inapreciables para el ojo humano denominadas fonones. Estas, a su vez, hacen que las partículas que transportan la energía y la información en los dispositivos electrónicos se dispersen rápidamente. Es decir, al final la energía se pierde en forma de calor, por lo que la transferencia tiene un límite de velocidad. Como una mejor alternativa, este equipo de investigadores ha creado el que describen como el semiconductor más rápido y eficaz hasta la fecha: un material superatómico llamado Re₆Se₈Cl₂.

Los químicos detallan que, en el caso del Re₆Se₈Cl₂, otro componente como son los excitones se unen a los fonones para crear nuevas cuasipartículas llamadas excitones-polarones acústicos, con una propiedad especial: son capaces de fluir de forma balística o sin dispersión. Esto se traduce en que, en un futuro, los dispositivos electrónicos serán más rápidos y eficientes, como señalan en su estudio publicado en la revista Science.

"El mejor semiconductor"

Durante las pruebas realizadas por el equipo de químicos, los excitones-polarones acústicos del Re₆Se₈Cl₂ se movían el doble de rápido que los electrones del silicio, y cruzaban varias micras de una muestra en menos de un nanosegundo. Teniendo en cuenta que los polarones pueden durar unos 11 nanosegundos, los investigadores creen que en este caso podrían cubrir más de 25 micrómetros a la vez. Incluso, indican que las velocidades de procesamiento podrían alcanzar los femtosegundos a temperatura ambiente.

"En términos de transporte de energía, el Re₆Se₈Cl₂ es el mejor semiconductor que conocemos, al menos hasta ahora", afirma Milan Delor, profesor de química y uno de los autores del paper.

Esquema del nuevo semiconductor. Science Omicrono

Este semiconductor superatómico ha sido creado en el laboratorio del colaborador Xavier Roy. Cuando Jack Tulyag, estudiante de doctorado y uno de los autores principales del estudio, acudió a este lugar, buscaba probar la resolución de los microscopios del laboratorio con un material que, en principio, no debería haber conducido a estos sorprendentes resultados. 

"Fue lo contrario de lo que esperábamos. En lugar del movimiento lento que esperábamos, vimos lo más rápido que hemos visto nunca", explica Delor. Desde ese momento, y durante dos años, el equipo de químicos estuvo trabajando en averiguar por qué el Re₆Se₈Cl₂ mostraba ese comportamiento tan extraordinario. Para ello desarrollaron un microscopio avanzado con una resolución espacial y temporal extrema, que podía obtener imágenes directas de los polarones a medida que se formaban y se movían por el material.

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Las nuevas cuasipartículas son rápidas, pero alcanzan esa velocidad a su propio ritmo, que es un poco lo que sucede en la historia de La liebre y la tortuga, según señala Delor. Es decir, los excitones del Re₆Se₈Cl₂ son muy lentos, pero pueden encontrarse y emparejarse con fonones acústicos que se mueven con la misma lentitud para dar como resultado unas cuasipartículas "pesadas". Estas, como la tortuga en el cuento, avanzan lentas pero constantes. Y al final, terminan moviéndose más rápido que los electrones del silicio.

Al igual que otros materiales cuánticos emergentes que se están estudiando, los químicos señalan que el Re₆Se₈Cl₂ se puede pelar en láminas delgadas como un átomo. Una característica que les permite combinarse potencialmente con otros materiales similares para buscar propiedades únicas adicionales. Aunque, eso sí, es poco probable que este nuevo semiconductor superatómico llegue a comercializarse, ya que el primer elemento químico de la molécula, el renio, es uno de los más raros del planeta y, por tanto, su precio es extremadamente caro.

Por el momento, el equipo de químicos asegura estar preparado para comprobar si hay otros contendientes superatómicos capaces de batir el récord de velocidad del Re₆Se₈Cl₂. "Este es el único material en el que se ha observado un transporte balístico de excitones a temperatura ambiente. Pero ahora podemos empezar a predecir qué otros materiales podrían tener este comportamiento, que no habíamos considerado antes", concluye Milan Delor. 

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