Electrónica mil veces más rápida con un avance en materiales cuánticos

Investigadores de la Universidad Northeastern han descubierto cómo cambiar el estado electrónico de la materia a demanda, un avance que podría hacer que la electrónica sea mil veces más rápida y eficiente.

Al pasar de aislante a conductor y viceversa, el descubrimiento crea el potencial para reemplazar los componentes de silicio en la electrónica con materiales cuánticos exponencialmente más pequeños y rápidos.

"Actualmente, los procesadores funcionan en gigahercios", afirmó en un comunicado Alberto de la Torre, profesor adjunto de física y autor principal de la investigación. "La velocidad de cambio que esto permitiría permitiría alcanzar los terahercios".

Mediante calentamiento y enfriamiento controlados, una técnica denominada "extinción térmica", los investigadores logran que un material cuántico cambie entre un estado conductor metálico y un estado aislante. Estos estados pueden revertirse instantáneamente utilizando la misma técnica.

Publicados en la revista Nature Physics, los hallazgos de la investigación representan un gran avance para los científicos de materiales y el futuro de la electrónica: el control instantáneo sobre si un material conduce o aísla la electricidad.

El efecto es similar al de un transistor que conmuta señales electrónicas. Y así como los transistores permitieron que las computadoras se volvieran más pequeñas -desde las enormes máquinas del tamaño de una habitación hasta el teléfono de bolsillo-, el control sobre los materiales cuánticos tiene el potencial de transformar la electrónica, afirma Gregory Fiete, profesor de física en Northeastern, quien colaboró con De la Torre para interpretar los hallazgos.

"Todos los que han usado una computadora llegan a un punto en el que desean que algo cargue más rápido", afirma Fiete. "No hay nada más rápido que la luz, y estamos usando la luz para controlar las propiedades de los materiales a la velocidad más rápida posible que permite la física".

Al proyectar luz sobre un material cuántico llamado 1T-TaS2 a temperatura cercana a la ambiente, los investigadores lograron un "estado metálico oculto" que hasta ahora solo había sido estable a temperaturas criogénicas. Ahora, los investigadores han creado ese estado metálico conductor a temperaturas más prácticas, afirma De la Torre. El material mantiene su estado programado durante meses, algo nunca antes logrado.

"Uno de los grandes desafíos es cómo controlar las propiedades de los materiales a voluntad". "Nuestro objetivo es el máximo control sobre las propiedades de los materiales. Queremos que se produzca algo muy rápido, con un resultado muy seguro, porque es el tipo de cosas que luego se pueden aprovechar en un dispositivo", afirma Fiete.

Hasta ahora, los dispositivos electrónicos han necesitado materiales conductores y aislantes, además de una interfaz bien diseñada entre ambos. Este descubrimiento permite utilizar un solo material que se puede controlar con luz para conducir y luego aislar.

"Eliminamos uno de los desafíos de ingeniería al integrarlo todo en un solo material", afirma Fiete. "Y reemplazamos la interfaz con luz dentro de un rango más amplio de temperaturas".

La investigación amplía trabajos previos que utilizaban pulsos láser ultrarrápidos para cambiar temporalmente la forma en que los materiales conducen la electricidad. Sin embargo, esos cambios solo duraban pequeñas fracciones de segundo y, por lo general, a temperaturas extremadamente frías.

La conmutación estable de la conductividad a temperaturas más altas supone un avance significativo para la mecánica cuántica, afirma Fiete, y para el largo plazo de complementar o reemplazar la tecnología basada en silicio. Los semiconductores, afirma, contienen tantos componentes lógicos que los ingenieros ahora los apilan en tres dimensiones. Sin embargo, este enfoque tiene limitaciones, añadió, lo que hace que los materiales cuánticos diminutos sean más importantes para el diseño electrónico.

"Estamos en un punto en el que, para lograr mejoras asombrosas en el almacenamiento de información o la velocidad de operación, necesitamos un nuevo paradigma", afirma Fiete. "La computación cuántica es una vía para abordar esto, y otra es la innovación en materiales. De eso se trata realmente este trabajo".