Los transistores tradicionales se basan en la modulación de una corriente eléctrica bajo un campo eléctrico, lo que sólo es posible utilizando materiales semiconductores. En los semiconductores, hay menos portadores de carga libres en comparación con los metales, y el nivel de Fermi (que es el trabajo termodinámico requerido para agregar un electrón al sistema) se encuentra en una banda prohibida de energía, lo que implica que los electrones son más difíciles de excitar. /P>

Al dopar semiconductores, se puede crear un cierto número de portadores libres, por ejemplo en una banda vacía, que ahora pueden excitarse con momentos mayores y, por lo tanto, pueden transportar corriente eléctrica a través del material.

Con los semiconductores, es posible un flujo controlado de electrones desde una fuente a un sumidero mediante la aplicación de un campo eléctrico. Dado que la característica corriente-voltaje del material es fuertemente no lineal, una señal eléctrica puede amplificarse o suprimirse, como en un diodo de unión p-n.

¿Por qué los transistores están hechos de semiconductores y no, por ejemplo, de metales? Con conductores metálicos, no es posible fabricar transistores debido a la gran cantidad de electrones libres (extremadamente móviles), que bloquean completamente el campo eléctrico dentro del material.

En la práctica, tan pronto como se activa un campo eléctrico a través de la muestra conductora, todos los electrones se mueven casi instantáneamente dentro de la muestra y se redistribuyen internamente de modo que su nueva distribución espacial crea un campo eléctrico que cancela exactamente el campo eléctrico aplicado externamente. P>

Este fenómeno impide así la posibilidad de controlar el flujo de electricidad (microscópicamente, el flujo de electrones libres) cuando se activa un campo eléctrico externo a través del conductor.

Recientemente, se han utilizado experimentalmente superconductores metálicos de sólo unos pocos nanómetros de espesor para realizar un nuevo efecto de campo eléctrico como ruta viable hacia los transistores metálicos. Los materiales superconductores son metales que, si se enfrían por debajo de una determinada temperatura crítica, pueden soportar el flujo de electrones sin resistencia. En otras palabras, son conductores ideales por los que la electricidad puede circular sin disipación ni resistencia.

La razón de este comportamiento aparentemente mágico reside en la formación de pares de electrones que se mantienen unidos mediante un "pegamento" proporcionado por los movimientos térmicos de la red. Estos pares obedecen a la estadística cuántica (estadística de Bose-Einstein), que permite que una gran cantidad de partículas (pares de electrones pegados, en este caso) ocupen el estado de energía más bajo o estado fundamental.

El estado fundamental forma entonces una función de onda cuántica coherente que es inmune a los procesos de dispersión que generan resistividad y, por lo tanto, los electrones pueden fluir libremente a través del material y transportar electricidad sin disipación de energía.

Trabajando con estos dispositivos metálicos superconductores, un equipo experimental dirigido por Francesco Giazotto en el Centro Nazionale delle Ricerche (CNR) italiano observó que un campo eléctrico externo de suficiente amplitud puede suprimir la corriente eléctrica. Este fenómeno permite así el uso de la película delgada superconductora como diodo, ya que ahora podemos controlar la corriente eléctrica a través del metal sintonizando el campo eléctrico externo.

Aunque los experimentos se realizaron utilizando materiales convencionales muy estándar (por ejemplo, aluminio), este efecto no pudo explicarse mediante la teoría estándar de la superconductividad (que fue desarrollada por el mismo físico, John Bardeen, quien co-descubrió el transistor y para el cual le concedieron un segundo premio Nobel de física, un caso bastante excepcional en la historia).

Esta teoría, conocida como teoría de Bardeen-Cooper-Schrieffer o BCS, explica que los movimientos térmicos de la red (fonones) proporcionan el pegamento que forma los pares de electrones al anular la interacción repulsiva de Coulomb entre los dos electrones.

En los últimos años he estado trabajando en una teoría que generaliza la teoría BCS a películas metálicas muy delgadas, con un espesor de apenas unos pocos nanómetros o incluso inferiores a un nanómetro.

En esta nueva teoría, he implementado matemáticamente el principio de que las partículas cuánticas, como los electrones, también están asociadas con una longitud de onda. Si esta longitud de onda excede el tamaño de la película delgada, el electrón correspondiente no puede propagarse a través de la muestra.

Al hacer cálculos matemáticos, junto con mi alumno Riccardo Travaglino, descubrí que la distribución correspondiente de los estados de los electrones en el espacio de momentos disponibles (donde el momento de una partícula cuántica es proporcional a la inversa de su longitud de onda) se modifica por la confinamiento geométrico.

En particular, descubrimos que la llamada esfera de Fermi, que describe los momentos ocupados de los estados de electrones libres en los metales, adquiere dos "bolsillos de agujeros" esféricos simétricos de estados prohibidos (ver figura arriba). Utilizando este hallazgo, pudimos calcular la temperatura crítica a la que el metal se vuelve superconductor, en excelente concordancia con los datos experimentales.

Unos meses más tarde, en la primavera de 2023, conocí al profesor Vladimir Fomin del Instituto Leibniz de Dresde y le ilustré nuestros hallazgos. Inmediatamente señaló la relevancia potencial de nuestra teoría para el "diodo metálico superconductor" experimental descubierto por Giazotto y sus colaboradores.

Durante el verano de 2023, con el profesor Fomin, iniciamos una colaboración destinada a implementar la teoría del confinamiento para describir una película delgada superconductora bajo un campo eléctrico externo.

Para esta nueva teoría, tuvimos que tener en cuenta el hecho de que el "pegamento" proporcionado por los fonones también se ve afectado por la concentración de electrones libres, al igual que su repulsión de Coulomb. Estas cantidades, a su vez, se ven fuertemente afectadas por el confinamiento de la película delgada.

La nueva teoría, que tiene en cuenta estos aspectos cruciales, muestra por primera vez que la teoría microscópica de Bardeen-Cooper-Schrieffer, adecuadamente modificada, que explica el confinamiento, puede predecir la supresión de la corriente eléctrica superconductora inducida por el campo eléctrico debido a los efectos de confinamiento de las ondas cuánticas en ultrasónicos. -películas delgadas.

En la práctica, debido al confinamiento, hay bolsas de agujeros dentro del mar de Fermi que conducen a una mayor densidad de estados en la superficie de Fermi. A su vez, este efecto aumenta la repulsión de Coulomb entre electrones hasta el punto de que un campo eléctrico puede romper fácilmente los pares de electrones que el "pegamento" de fonones mantiene unidos. La teoría explica así que este efecto aumenta al disminuir el espesor de la película, de acuerdo con las observaciones experimentales.

Gracias a esta nueva teoría, se podrá desarrollar y optimizar toda una gama de materiales de puertas cuánticas en aplicaciones futuras. Además, la teoría del confinamiento predice una nueva transición topológica al reducir aún más el espesor de la película desde una topología trivial de la superficie de Fermi a una topología no trivial asociada con un cambio en las propiedades electrónicas.

Nuestra investigación se publica en la revista Physical Review B .

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