El desarrollo de nuevas tecnologías de la información y la comunicación plantea nuevos retos a los científicos y la industria. El diseño de nuevos materiales cuánticos, cuyas propiedades excepcionales se derivan de la física cuántica, es la forma más prometedora de enfrentar estos desafíos. Un equipo internacional dirigido por la Universidad de Ginebra (UNIGE) e integrado por investigadores de las universidades de Salerno, Utrecht y Delft, ha diseñado un material en el que la dinámica de los electrones puede controlarse curvando el tejido del espacio en el que evolucionan. Estas propiedades son de interés para los dispositivos electrónicos de próxima generación, incluida la optoelectrónica del futuro. Estos resultados se pueden encontrar en la revista Nature Materials.
Las telecomunicaciones del futuro requerirán nuevos dispositivos electrónicos extremadamente potentes. Estos deben ser capaces de procesar señales electromagnéticas a velocidades sin precedentes, en el rango de los picosegundos, es decir, una milésima de una billonésima de segundo. Esto es impensable con los materiales semiconductores actuales, como el silicio, muy utilizado en los componentes electrónicos de nuestros teléfonos, ordenadores y videoconsolas. Para conseguirlo, los científicos y la industria se están centrando en el diseño de nuevos materiales cuánticos.
Gracias a sus propiedades únicas, especialmente las reacciones colectivas de los electrones que los componen, estos materiales cuánticos podrían usarse para capturar, manipular y transmitir señales portadoras de información (por ejemplo, fotones, en el caso de las telecomunicaciones cuánticas) dentro de nuevos sistemas electrónicos. dispositivos. Además, pueden operar en rangos de frecuencia electromagnéticos que aún no han sido explorados y, por lo tanto, abrirían el camino a sistemas de comunicación de muy alta velocidad.
Una unidad warp
“Una de las propiedades más fascinantes de la materia cuántica es que los electrones pueden evolucionar en un espacio curvo. Los campos de fuerza, debido a esta distorsión del espacio habitado por los electrones, generan dinámicas totalmente ausentes en los materiales convencionales. Esta es una aplicación sobresaliente del principio de superposición cuántica”, explica Andrea Caviglia, profesora titular del Departamento de Física de la Materia Cuántica de la Facultad de Ciencias de la UNIGE y última autora del estudio.
Después de un estudio teórico inicial, el equipo internacional de investigadores de las Universidades de Ginebra, Salerno, Utrecht y Delft diseñó un material en el que la curvatura del tejido espacial es controlable. “Hemos diseñado una interfaz que alberga una capa extremadamente delgada de electrones libres. Está intercalado entre el titanato de estroncio y el aluminato de lantano, que son dos óxidos aislantes”, dice Carmine Ortix, profesor de la Universidad de Salerno y coordinador del estudio teórico. Esta combinación nos permite obtener configuraciones geométricas electrónicas particulares que pueden ser controladas bajo demanda.
Un átomo a la vez
Para lograr esto, el equipo de investigación utilizó un sistema avanzado para fabricar materiales a escala atómica. Usando pulsos de láser, cada capa de átomos se apiló una tras otra. “Este método nos permitió crear combinaciones especiales de átomos en el espacio que afectan el comportamiento del material”, detallan los investigadores.
Si bien la perspectiva del uso tecnológico aún está lejana, este nuevo material abre nuevas vías en la exploración de la manipulación de señales electromagnéticas de muy alta velocidad. Estos resultados también se pueden utilizar para desarrollar nuevos sensores. El próximo paso del equipo de investigación será seguir observando cómo reacciona este material a las altas frecuencias electromagnéticas para determinar con mayor precisión sus posibles aplicaciones.