Tira cómica alegórica para entender mejor qué es un excitón. Crédito:© EPFL, Scipt:Sarah Perrin, Ilustraciones:Xurxo- Adrian Entenza
Los excitones podrían revolucionar la forma en que los ingenieros abordan la electrónica. Un equipo de investigadores de la EPFL ha creado un nuevo tipo de transistor, uno de los componentes de los circuitos, utilizando excitones en lugar de electrones. Notablemente, su transistor basado en excitones funciona eficazmente a temperatura ambiente, un obstáculo hasta ahora insuperable. Lo lograron utilizando dos materiales 2-D como semiconductores. Su estudio, que se publicó hoy en Naturaleza , tiene numerosas implicaciones en el campo de la excitónica, una nueva área de estudio prometedora junto con la fotónica y la espintrónica.
"Nuestra investigación mostró que al manipular los excitones, habíamos encontrado un enfoque completamente nuevo para la electrónica, "dice Andras Kis, quien dirige el Laboratorio de Electrónica y Estructuras a Nanoescala de la EPFL (LANES). "Estamos asistiendo al surgimiento de un campo de estudio totalmente nuevo, cuyo alcance total aún no conocemos ".
Este avance prepara el escenario para los dispositivos optoelectrónicos que consumen menos energía y son más pequeños y más rápidos que los dispositivos actuales. Además, será posible integrar sistemas de transmisión óptica y procesamiento electrónico de datos en un mismo dispositivo, lo que reducirá el número de operaciones necesarias y hará que los sistemas sean más eficientes.
Mayor nivel de energía
Los excitones son en realidad cuasipartículas, término utilizado para describir la interacción entre las partículas que componen una sustancia determinada en lugar de la sustancia en sí. Los excitones constan de un electrón y un agujero de electrones. Los dos se unen cuando el electrón absorbe un fotón y alcanza un nivel más alto de energía; el electrón "excitado" deja un agujero en el nivel anterior de energía, cuales, en teoría de bandas, se llama banda de valencia. Este agujero también una cuasipartícula, es una indicación del electrón que falta en esta banda.
Dado que el electrón está cargado negativamente y el agujero está cargado positivamente, las dos partículas permanecen unidas por una fuerza electrostática. Este enlace entre el electrón y el agujero se llama atracción de Coulomb. Y es en este estado de tensión y equilibrio que forman un excitón. Cuando el electrón finalmente vuelve a caer en el agujero, emite un fotón. Y con eso, el excitón deja de existir. Dicho de manera más simple, un fotón entra por un extremo del circuito y sale por el otro; mientras que adentro, da lugar a un excitón que actúa como una partícula.
Doble éxito
Solo recientemente los investigadores han comenzado a analizar las propiedades de los excitones en el contexto de los circuitos electrónicos. La energía de los excitones siempre se había considerado demasiado frágil y la vida útil de los excitones demasiado corta para tener un interés real en este dominio. Además, los excitones solo podían producirse y controlarse en circuitos a temperaturas extremadamente bajas (alrededor de -173 grados C).
El gran avance se produjo cuando los investigadores de la EPFL descubrieron cómo controlar la vida útil de los excitones y cómo moverlos. Lo hicieron utilizando dos materiales 2-D:diselenuro de tungsteno (WSe 2 ) y disulfuro de molibdeno (MoS 2 ). "Los excitones en estos materiales exhiben un enlace electrostático particularmente fuerte y, aún más importante, no se destruyen rápidamente a temperatura ambiente, "explica Kis.
Los investigadores también pudieron alargar significativamente la vida útil de los excitones al explotar el hecho de que los electrones siempre encontraban su camino hacia el MoS. 2 mientras que los agujeros siempre acababan en el WSe 2 . Los investigadores mantuvieron los excitones funcionando aún más al proteger las capas semiconductoras con nitruro de boro (BN).
"Creamos un tipo especial de excitón, donde los dos lados están más separados que en la partícula convencional, "dice Kis." Esto retrasa el proceso en el que el electrón regresa al agujero y se produce la luz. Es en este punto, cuando los excitones permanecen en forma dipolar durante un poco más de tiempo, que se pueden controlar y mover mediante un campo eléctrico ".
