Los semiconductores -en particular, el silicio- son el corazón de los dispositivos electrónicos que usamos a diario, incluido el que estás usando para leer este artículo. A pesar de su uso generalizado, los semiconductores tienen ciertas limitaciones.

La estructura atómica de cualquier material vibra, lo que da lugar a la creación de partículas cuánticas conocidas como fonones. Estos fonones, a su vez, hacen que las partículas que transportan la energía y la información dentro de los dispositivos electrónicos se dispersen en nanosegundos y femtosegundos. Esto provoca pérdidas de energía en forma de calor y limita la velocidad de transmisión de la información.

Ahora, científicos de la Universidad de Columbia han descubierto el semiconductor más rápido y eficiente hasta la fecha. El material superatómico, llamado Re6Se8Cl2, está formado por una mezcla de átomos de renio, selenio y cloro que se agrupan y actúan como un único átomo de gran tamaño.

En el Re6Se8Cl2, los excitones no se dispersan cuando entran en contacto con los fonones. En su lugar, se unen a los fonones para crear nuevas cuasipartículas denominadas excitones-polarones acústicos. Los polarones del Re6Se8Cl2 son capaces de fluir de forma balística o sin dispersión. Según los investigadores, este comportamiento balístico podría traducirse algún día en dispositivos más rápidos y eficientes.

En los experimentos, el equipo descubrió que los excitones-polarones acústicos del Re6Se8Cl2 se movían el doble de rápido que los electrones del silicio y cruzaban varias micras de la muestra en menos de un nanosegundo. Dado que los polarons pueden durar unos 11 nanosegundos, los investigadores estiman que los excitones-polarons podrían recorrer más de 25 micrómetros a la vez.

Además, estas cuasipartículas están controladas por la luz en lugar de por una corriente eléctrica y una compuerta, lo que significa que los dispositivos electrónicos teóricos fabricados con este material podrían alcanzar velocidades de procesamiento en el rango de los femtosegundos, seis órdenes de magnitud más rápidas que la electrónica actual. Todo ello a temperatura ambiente.

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

Milan Delor, profesor de química.

Las nuevas cuasipartículas son rápidas, pero, contra toda intuición, alcanzan esa velocidad a su propio ritmo, un poco como en la historia de la tortuga y la liebre. Los electrones pueden viajar muy deprisa por el silicio, pero rebotan demasiado y al final no llegan muy lejos.

En comparación, los excitones del Re6Se8Cl2 son muy lentos, pero precisamente porque son capaces de encontrarse y emparejarse con fonones acústicos igualmente lentos. Las cuasipartículas resultantes son pesadas y 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.

Sin embargo, es poco probable que el Re6Se8Cl2 llegue a convertirse en un producto comercial. El primer elemento de la molécula, el renio, es uno de los más raros de la Tierra y, por tanto, muy caro. Pero una vez probado el concepto, los investigadores están dispuestos a ver 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. Existe toda una familia de materiales superatómicos y otros semiconductores 2D con propiedades favorables para la formación de polaron acústico.

Milan Delor

Vía columbia.edu