El lado luminoso de la Fuerza: Crear un metal con luz láser

La conversión a un metal sólo tarda 20 femtosegundos

16.02.2021 - Alemania

Un grupo de investigadores del Instituto Fritz Haber de la Sociedad Max Planck y de la Humboldt-Universität zu Berlin ha descubierto que los semiconductores pueden convertirse en metales y viceversa con más facilidad y rapidez de lo que se pensaba. Este descubrimiento podría aumentar la velocidad de procesamiento y simplificar el diseño de muchos dispositivos tecnológicos comunes.

Desde los teléfonos inteligentes hasta los procesadores de los ordenadores, gran parte de la tecnología que utilizamos hoy en día tiene transistores. Estos conectan muchos de los diferentes materiales que componen estos dispositivos y son esenciales para cualquier tipo de procesamiento de datos. Como son tan importantes, los científicos e ingenieros llevan mucho tiempo tratando de optimizarlos modificando las propiedades de sus materiales para que puedan utilizarse con mayor flexibilidad. Ahora, un equipo de investigadores del Instituto Fritz Haber de la Sociedad Max Planck y de la Humboldt-Universität zu Berlin ha encontrado una importante pista sobre cómo conseguirlo.

Los transistores suelen estar formados por semiconductores, es decir, materiales que conducen la electricidad, pero no tan bien como los metales. En los transistores comunes, se combinan varios semiconductores para controlar una corriente eléctrica. Por desgracia, esto limita el rendimiento y el tamaño del dispositivo en el que se integran. "Básicamente, lo ideal sería tener un solo material que lo hiciera todo, siempre que lo necesitáramos", afirma la profesora Julia Stähler, de la Humboldt Universität zu Berlin, que dirigió el estudio en el Instituto Fritz Haber. Aunque la conductividad de los semiconductores puede alterarse mediante un proceso químico llamado "dopaje", esta técnica, en la que se sustituyen átomos del semiconductor por otros, tiene limitaciones. Las propiedades de un material pueden cambiarse, pero permanecerán así de forma permanente, mientras que lo que realmente se necesita es un material que pueda cambiar entre diferentes propiedades. El grupo de Julia Stähler ha encontrado una respuesta a esta cuestión: la luz.

Los científicos que participan en este estudio han investigado el popular semiconductor óxido de zinc y han descubierto que, al golpearlo con un láser, simplemente iluminándolo, la superficie del semiconductor puede convertirse en un metal, y viceversa. Este "fotodepuración" se consigue mediante la fotoexcitación: la luz modifica las propiedades electrónicas de forma que los electrones se mueven de repente libremente y puede fluir una corriente eléctrica, como lo haría en el metal. Una vez que se apaga la luz, el material vuelve a ser rápidamente un semiconductor. "Este mecanismo es un descubrimiento completamente nuevo y sorprendente", afirma Lukas Gierster, autor principal y estudiante de doctorado del grupo de Stähler. "Hay tres cosas que nos han sorprendido especialmente: por un lado, que el fotodopaje y el dopaje químico se comporten de forma tan parecida a pesar de ser mecanismos fundamentalmente diferentes; por otro, que se puedan alcanzar cambios gigantescos con una potencia de láser muy baja; y por último, que la activación y desactivación del metal se produzca tan rápidamente." La conversión en un metal sólo dura 20 femtosegundos, es decir, la 20 millonésima parte de una milmillonésima de segundo. La velocidad de la reconversión del semiconductor es especialmente sorprendente, ya que es órdenes de magnitud más rápida que en estudios anteriores. En otras palabras, el óxido de zinc es un interruptor ultrarrápido que tiene la "fuerza" de "hacerlo todo".

Este descubrimiento podría ser muy beneficioso para las aplicaciones de dispositivos de alta frecuencia y transistores ultrarrápidos controlados ópticamente, ya que aumenta la velocidad de procesamiento y simplifica el diseño de los dispositivos. "Nuestros aparatos podrían ser más rápidos y, por tanto, más inteligentes", afirma Julia Stähler y añade: "La conmutación ultrarrápida de las propiedades de conducción nos proporcionará alta velocidad y flexibilidad de diseño". Ella y su grupo están convencidos de que lo mismo ocurrirá con otros materiales semiconductores, por lo que es probable que su descubrimiento llegue mucho más allá del óxido de zinc.

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