Investigadores del Departamento de Química Física del Instituto Fritz Haber y del Instituto Max Planck para la Estructura y Dinámica de la Materia en Hamburgo han descubierto que los cambios ultrarrápidos en las propiedades de los materiales pueden ser provocados por pulsos de láser, y por qué. Este conocimiento puede permitir nuevos conceptos de transistores.

Hacer que la velocidad de la tecnología electrónica sea lo más rápido posible es un objetivo central de la investigación de materiales contemporánea. Los componentes clave de las tecnologías de computación rápida son los transistores:dispositivos de conmutación que encienden y apagan las corrientes eléctricas muy rápidamente como pasos básicos de las operaciones lógicas. Para mejorar nuestro conocimiento sobre los materiales ideales para transistores, Los físicos están constantemente tratando de determinar nuevos métodos para lograr cambios tan extremadamente rápidos. Investigadores del Instituto Fritz Haber de la Sociedad Max Planck en Berlín y del Instituto Max Planck para la Estructura y Dinámica de la Materia en Hamburgo ahora han descubierto que un nuevo tipo de interruptor ultrarrápido se puede lograr con luz.

Los físicos involucrados en el proyecto están estudiando la mejor manera de lograr que los materiales cambien sus propiedades:hacer que los metales magnéticos no sean magnéticos, por ejemplo, o cambiar la conductividad eléctrica de un cristal. Las propiedades eléctricas de un material están fuertemente relacionadas con la disposición de los electrones en el cristal. El control de la disposición de los electrones ha sido un tema clave durante décadas. La mayoría de los métodos de control sin embargo, son bastante lentos.

"Sabíamos que las influencias externas como las variaciones de temperatura o presión funcionan, "dice el Dr. Ralph Ernstorfer, Líder de grupo en el Departamento de Química Física del Instituto Fritz Haber, "pero eso lleva tiempo, al menos unos segundos ". Aquellos que usan regularmente un teléfono inteligente o una computadora saben que unos segundos pueden parecer una eternidad. Por eso, el grupo del Dr. Ernstorfer exploró cómo cambiar las propiedades de los materiales mucho más rápido por medio de la luz.

Utilizando equipo nuevo en el Instituto Fritz Haber, los investigadores han reducido enormemente el tiempo de conmutación a solo 100 femtosegundos disparando pulsos de láser óptico ultracortos en el material elegido, un cristal semimetálico compuesto por átomos de tungsteno y telurio. La luz brillante sobre el cristal lo anima a reorganizar su estructura electrónica interna, que también cambia la conductividad del cristal. Además, los científicos pudieron observar exactamente cómo cambiaba su estructura electrónica.

"Usamos un nuevo instrumento para tomar fotografías 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) en CNRS-Bordeaux University. "Este es un progreso asombroso; antes solo sabíamos cómo era la estructura electrónica del material, pero nunca durante la transición, ", añade. Además, modelado de última generación de este nuevo proceso por el Dr. Nicolas Tancogne-Dejean, Dr. Michael Sentef, y el Prof. Dr. Angel Rubio del Instituto Max Planck para la Estructura y Dinámica de la Materia ha revelado el origen de este novedoso 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 impulsora de esta transición exótica, conocida como transición Lifshitz.

Este método está destinado a generar una gran cantidad de conocimiento sobre posibles materiales de transistores futuros. El solo hecho de que la luz puede impulsar transiciones electrónicas ultrarrápidas es un primer paso hacia una tecnología aún más rápida y eficiente.

El estudio se publica en Avances de la ciencia .