La electrónica de transformación basada en el control de la masa efectiva del electrón

La óptica de transformación está de moda. Tras la acústica de transformación, ahora nos proponen la electrónica de transformación. Te recuerdo, la óptica de transformación se basa en los metamateriales que permiten controlar las propiedades efectivas del índice de refracción, susceptibilidad eléctrica y permeabilidad magnética del material gracias a un diseño adecuado de su microestructura. En la electrónica de transformación la idea es controlar la masa efectiva de los electrones y huecos que se propagan en el material utilizando un diseño similar. En lugar de usar un metamaterial se utiliza una superred (superlattice) semiconductora en la que la masa efectiva de los portadores de carga presentan una fuerte anisotropía. La óptica de transformación permite el desarrollo de materiales muy exóticos como superlentes o capas de invisibilidad. En la electrónica de transformación nos proponen la fabricación de materiales en los que los electrones se comportan de forma efectiva como partículas sin masa, cuando se mueven en ciertas direcciones, lo que permitirá desarrollar dispositivos ultrarrápidos (no limitados por la movilidad de los electrones y huecos), con alta conductividad (que a baja temperatura es independiente de la temperatura) y con una respuesta no lineal fuerte. Todas estas propiedades los hacen fascinantes a la hora de desarrollar multitud de nuevos dispositivos para aplicaciones prácticas con las que ahora solo podemos soñar. Obviamente, la electrónica de transformación aún es solo una propuesta teórica, no demostrada mediante experimentos. Nos lo cuentan Mario G. Silveirinha, Nader Engheta, “Transformation Electronics: Tailoring Electron’s Effective Mass,” arXiv:1205.6325, 2012.

Las superredes (superlattices) son dispositivos semiconductores formados por capas alternas de diferentes materiales a modo de sándwich que fueron introducidas en 1969 por Esaki y Tsu. Cuando la anchura de las capas es de solo unos pocos átomos, los efectos cuánticos permiten fenómenos tan curiosos como la aparición de conductividades negativas. Hay muchísimas aplicaciones para estos materiales, por ejemplo, los láseres semiconductores de tu grabadora de DVD son heteroestructuras (superredes con pocas capas). Sin embargo, hasta ahora no se había propuesto la idea de la “eletrónica de transformación” en analogía con la óptica de transformación. En este paradigma los paquetes de onda de los electrones están restringidos a moverse a lo largo de ciertos caminos; gracias a ellos se pueden controlar la masa efectiva de los electrones, que resulta ser fuertemente anisótropa.

La masa efectiva en un semiconductor controla la inercia del electrón ante estímulos externos, es decir, su movilidad y con ella la velocidad máxima que se puede alcanzar en un circuito electrónico. En una superred anisótropa la energía de los electrones depende de forma diferente de cada una de las componentes del vector de onda, es decir, la relación de dispersión toma la forma E(kx,ky,kz). Cuando esta relación solo depende de kz y no depende de kx y ky, los electrones se mueven en exclusiva a lo largo de la dirección z, lo que equivale a que su masa efectiva en las direcciones x e y es infinita (o muy grande) y en la dirección z es cero (o muy pequeña). Para lograr una relación de dispersión de este tipo hay que utilizar el equivalente electrónico a los metamateriales ópticos. Para ello se combinan materiales en los que la masa de los electrones es positiva (ENG) con otros en los que es negativa (MNG), como el telururo de mercurio (HgTe) o el telururo de mercurio-cadmio (HgCdTe) que tienen una estructura de bandas invertida (responsable de que la masa efectiva de electrones y huecos sea negativa). Combinando capas de estos materiales con otras de semiconductores convencionales se logra que los electrones adquieran una masa efectiva que depende del diseño de la superred.

En resumen, una propuesta teórica muy sugerente que queda a la espera de su demostración práctica gracias a los físicos experimentales que superen las dificultades tecnológicas asociadas a combinar materiales ENG y MNG en una superred. No parece difícil.

2 pensamientos en “La electrónica de transformación basada en el control de la masa efectiva del electrón

  1. Hay un error en movilidad, aprovecho para decir que prefiero ver el artículo completo sin tener que darle al botón de “más…”, supongo que así se ahorra ancho de banda y mejora el tiempo de carga de la página.

    Una vez más, felicidades al autor del blog, la mayoría de las entradas me quedan grandes, precisamente por eso se agradece el esfuerzo por explicar los artículos a la gente que no somos expertos pero que nos interesamos por la ciencia en general.

    Un saludo.

    • Gracias, yomismoo.

      Por otro lado, algunos lectores me han pedido incluir el botón “más…” pues al cargar la página las figuras hacían la carga lenta en algunos dispositivos móviles. Yo no lo notaba pues como cargo mucho la página la mayoría de las imágenes las tengo en la caché. En cualquier caso, espero que no sea un problema.

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