Por primera vez, y con una precisión sin precedentes, un equipo de investigadores de la Universidad de Basilea ha observado mecanismos únicos de flujo de energía en un material semiconductor tras su excitación con pulsos láser extremadamente cortos. Una mejor comprensión de estos flujos de energía es vital para mejorar la eficiencia de los dispositivos electrónicos y los chips de ordenador.
Los semiconductores son la base de la electrónica moderna y nos acompañan constantemente en la vida cotidiana, ya sea en un smartphone o en un ordenador portátil. Los procesos que tienen lugar dentro de estos materiales son objeto de investigación continua. Cuando los electrones de un material semiconductor se activan utilizando luz o un voltaje eléctrico, los electrones excitados también ponen en movimiento la red atómica. Esto resulta en vibraciones colectivas de los átomos, conocidas como fonones o vibraciones de la red, que interactúan entre sí y con los propios electrones.
Estas diminutas vibraciones de la red juegan un papel crucial en cómo la energía fluye y se disipa a través del material, es decir, en la eficiencia con la que la energía se redistribuye y en la intensidad con la que el material se calienta. Se pueden utilizar diferentes enfoques para controlar y monitorizar la propagación de las vibraciones de la red, y por lo tanto, para hacer que el semiconductor sea más eficaz y eficiente.
Un conocimiento detallado de los mecanismos de pérdida de energía y del potencial sobrecalentamiento es esencial para diseñar nuevos materiales y dispositivos que se calienten menos, se recuperen más rápido o respondan a la excitación externa con mayor precisión. Un equipo liderado por la profesora Ilaria Zardo de la Universidad de Basilea informa sobre la precisión sin precedentes que han logrado en las mediciones de los procesos de flujo de energía dentro del semiconductor germanio, que se utiliza con frecuencia en la tecnología informática, según se publica en la revista Advanced Science.
Flujo de energía tras una excitación ultrarrápida
El equipo del Departamento de Física y del Instituto Suizo de Nanosciencia ha desarrollado específicamente una técnica única que puede utilizarse para medir con precisión cómo se mueven los electrones y los fonones e intercambian energía dentro de la red cristalina del material analizado tras la excitación con pulsos láser ultracortos de tan solo 30 femtosegundos (1 femtosegundo equivale a 10-15 segundos). De esta manera, los físicos pudieron mostrar cómo fluye la energía, cómo se transfiere y cómo se convierte en calor dentro del material.
“Por primera vez, una combinación de dos técnicas espectroscópicas nos ha permitido observar cómo la energía se transfiere paso a paso desde el sistema electrónico a la red. También podemos observar cómo cambian la frecuencia, la intensidad y la duración de las vibraciones de la red con el tiempo tras la excitación”, explica la Dra. Grazia Raciti, primera autora de la publicación.
Diminutamente pequeño
Una de las técnicas espectroscópicas, conocida como espectroscopía Raman resuelta en el tiempo, mide pequeños cambios en las vibraciones de la red atómica. La segunda técnica, conocida como espectroscopía de reflexión transitoria, registra el cambio en el comportamiento de la luz tras una breve excitación.
El desafío en estas mediciones está relacionado con las pequeñas señales y la escala de tiempo en la que tienen lugar las interacciones. Con mediciones que duran un período de 48 horas, el sistema se excita con un pulso láser corto una vez por microsegundo. Los cambios observados en el sistema se producen entonces en una escala de tiempo de picosegundos. La Dra. Begoña Abad Mayor, investigadora del equipo de Zardo, explica estas dimensiones inimaginablemente pequeñas utilizando una analogía: “Si imaginamos que el intervalo de tiempo entre dos pulsos láser (que en realidad es de 1 microsegundo) dura 10 días, entonces la respuesta de la muestra que registramos en el semiconductor dura solo un segundo”.
En consecuencia, estas mediciones acceden a escalas de tiempo increíblemente rápidas con una sensibilidad extremadamente alta. Los investigadores pueden detectar pequeños cambios de menos del 1 por ciento en intensidad y menos de 0,2 cm⁻¹ en frecuencia. Con esta resolución de tiempo y energía a escala atómica, es posible diferenciar entre varios mecanismos de pérdida de energía.
Los investigadores del Departamento de Física y del Instituto Suizo de Nanosciencia de la Universidad de Basilea complementaron sus investigaciones experimentales con simulaciones informáticas de última generación. Esto les permitió comprender en detalle los procesos físicos subyacentes a los resultados de las mediciones.
Comprensión necesaria para un mayor desarrollo
El resultado combinado proporciona una imagen detallada de cómo se distribuye y disipa la energía en el germanio tras una excitación ultrarrápida. “Esta investigación básica es vital para comprender y desarrollar aún más la electrónica moderna y los nuevos componentes fonónicos y, por lo tanto, puede conducir a mejores chips, sensores u otros dispositivos electrónicos”, afirma Zardo.
