Iluminación: manipulación rápida de materiales mediante un láser
Investigadores del Departamento de Química Física del Instituto Fritz Haber y del Instituto Max Planck de Estructura y Dinámica de la Materia de Hamburgo han descubierto que los pulsos láser pueden provocar cambios ultrarrápidos en las propiedades de los materiales, y por qué. Este conocimiento puede permitir nuevos conceptos de transistores.
Una ráfaga de luz de femtosegundos impulsa una transición electrónica exótica en un cristal semimetálico, en una escala de tiempo sin precedentes.
© Beaulieu
Hacer que la tecnología electrónica sea lo más rápida posible es un objetivo central de la investigación contemporánea sobre materiales. Los componentes clave de las tecnologías informáticas rápidas son los transistores: dispositivos de conmutación que encienden y apagan la corriente eléctrica muy rápidamente como pasos básicos de las operaciones lógicas. Con el fin de mejorar nuestros conocimientos sobre los materiales ideales para los transistores, los físicos intentan constantemente determinar nuevos métodos para lograr estos conmutadores extremadamente rápidos. Investigadores del Instituto Fritz Haber de la Sociedad Max Planck de Berlín y del Instituto Max Planck para la Estructura y la Dinámica de la Materia de Hamburgo han descubierto que un nuevo tipo de interruptor ultrarrápido puede lograrse con luz.
Los físicos que participan en el proyecto están estudiando la mejor manera de conseguir que los materiales cambien sus propiedades, por ejemplo, para hacer que los metales magnéticos dejen de serlo o para cambiar la conductividad eléctrica de un cristal. Las propiedades eléctricas de un material están muy relacionadas con la disposición de los electrones en el cristal. Controlar la disposición de los electrones ha sido un tema clave durante décadas. Sin embargo, la mayoría de los métodos de control son bastante lentos. "Sabíamos que las influencias externas, como las variaciones de temperatura o presión, funcionan", dice el Dr. Ralph Ernstorfer, jefe de grupo del Departamento de Química Física del Instituto Fritz Haber, "pero eso lleva tiempo, al menos unos segundos". Quienes utilizan habitualmente un teléfono inteligente o un ordenador saben que unos segundos pueden parecer una eternidad. Así que el grupo del Dr. Ernstorfer estudió cómo cambiar las propiedades de los materiales mucho más rápido por medio de la luz.
Utilizando un equipo totalmente nuevo en el Instituto Fritz Haber, los investigadores han reducido enormemente el tiempo de conmutación a sólo 100 femtosegundos - 0.000.000.000 1 de segundo - disparando pulsos de láser óptico ultracortos a su material elegido, un cristal semimetálico compuesto por átomos de tungsteno y telurio. Al iluminar el cristal, éste se reorganiza en su estructura electrónica interna, lo que también modifica su conductividad. Además, los científicos pudieron observar exactamente cómo cambiaba su estructura electrónica. "Utilizamos un nuevo instrumento para tomar imágenes de la transición en cada paso del camino", explica el Dr. Samuel Beaulieu, que trabajó como becario postdoctoral con Ralph Ernstorfer en el Fritz-Haber-Institut (2018-2020) y que ahora es investigador permanente en el Centre Lasers Intenses et Applications (CELIA) de la Universidad CNRS-Bordeaux. "Se trata de un progreso sorprendente: antes solo sabíamos cómo era la estructura electrónica del material después, pero nunca durante la transición", añade. Además, la modelización de vanguardia de este nuevo proceso realizada por el Dr. Nicolas Tancogne-Dejean, el Dr. Michael Sentef y el Prof. Dr. Ángel Rubio del Instituto Max the Planck para la Estructura y Dinámica de la Materia ha revelado el origen de este nuevo tipo de transición electrónica ultrarrápida. El pulso láser que incide en los materiales cambia la forma en que los electrones interactúan entre sí. Esa es la fuerza motriz de esta exótica transición, conocida como transición de Lifshitz.
Este método está llamado a generar una gran cantidad de conocimientos sobre posibles materiales para transistores en el futuro. Sólo el hecho de que la luz pueda impulsar transiciones electrónicas ultrarrápidas es un primer paso hacia una tecnología aún más rápida y eficaz.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
Publicación original
Samuel Beaulieu, Shuo Dong, Nicolas Tancogne-Dejean, Maciej Dendzik, Tommaso Pincelli, Julian Maklar, R. Patrick Xian, Michael A. Sentef, Martin Wolf, Angel Rubio, Laurenz Rettig, and Ralph Ernstorfer; "Ultrafast Dynamical Lifshitz Transition"; Science Advances; 2021
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