El primer transistor completamente óptico basado en polaritones

Las comunicaciones ópticas son una realidad desde hace 30 años, pero la computación completamente óptica (que eliminaría del todo la optoelectrónica) es una utopía que no acaba de encontrar su presente. Llevo 20 años oyendo hablar de ella como si estuviera a punto de salir al mercado, pero aún falta algo. Quizás lo que falta es un transistor completamente óptico que sea compatible con la tecnología actual de semiconductores. Una vía prometedora se aprovechar la interacción entre polaritones y excitones, y los llamados polaritón-excitones. Me ha gustado leer en ArXiv la primera propuesta firme de un transistor completamente óptico basado en polaritón-excitones. El gran problema de los dispositivos que usan efectos ópticos no lineales es que requieren mucha potencia (o energía), pero la nueva propuesta parece resolver este asunto, aunque de forma parcial, ya que la energía de activación del nuevo transistor es de solo unos nanojulios. Además, el uso de excitones facilita la integración con tecnología semiconductora convencional en chips mixtos optoelectrónicos. ¿Qué futuro tiene esta nueva propuesta? Sobre el papel todo huele muy bien, pero con los años ya no me creo nada. Las conclusiones del artículo lo venden como la octava maravilla, pero yo, no sé, no acabo de creérmelo. Espero equivocarme. Dario Ballarini et al., “All-optical polariton transistor,” ArXiv, Subm. 19 Jan 2012.

¿Qué son los polaritones y los excitones? En física cuántica una cuasipartícula es algo que se comporta como una partícula pero no es una partícula. En un sólido, un electrón es una partícula, pero la ausencia de un electrón, un hueco, se comporta igual que un electrón pero con carga opuesta. La vibración elemental de la estructura cristalina de un sólido también se comporta como una cuasipartícula, un fonón. La excitación elemental del campo de espines de los electrones de un sólido se comporta como un magnón. Un par de Cooper en un superconductor es una cuasipartícula formada por el acoplamiento mutuo entre dos electrones de tal forma que su función de onda común se comporta como la de una partícula. De igual forma, un excitón es el resultado del acoplamiento electrostático entre un electrón y un hueco. Y un polaritón es el resultado del acoplamiento entre un campo electromagnético y un dipolo eléctrico o magnético; un polaritón-excitón es el polaritón en el que un excitón actúa como dipolo eléctrico; un polaritón-magnón es el polaritón en el que un magnón actúa como dipolo magnético. La física cuántica permite que un objeto cuántico se comporte como lo haría una partícula de tal forma que a ciertas escalas es imposible saber que no es una partícula, aunque a escalas más pequeñas se observe que en realidad no lo es.

La ventaja de los polaritón-excitones es que permiten acoplar de forma natural campos electromagnéticos (luz) con campos eléctricos (corrientes eléctricas). La gran desventaja es que se requiere mucha energía, comparada con la energía “natural” de un fotón de un sólido, para que se forma un polaritón. La polaritónica es para los polaritones lo que la electrónica es para los electrones (y huecos). Los dispositivos polaritónicos actúan en un régimen intermedio entre los fotónicos y los electrónicos, por lo que permite acoplar los unos con los otros. El problema es que este acoplamiento requiere que la parte electrónica trabaje a alta frecuencia (microondas o submicroondas) y que la parte óptica (fotónica) trabaje a alta potencia, por lo que sus aplicaciones se limitan a sistemas de radares y a sistemas de microondas vía satélite. Aún así, el primer transistor polaritónico supone un gran avance y tiene un futuro ciertamente prometedor (otra cosa es que no todas las promesas acaban cumpliéndose).

Publicado en Nature: No existen estados ligados con más de tres excitones en arseniuro de galio

La ausencia de pico en la diagonal demuestra que no existe el tetraexcitón (cuadexciton). (C) Nature.

Un excitón es una especie de “átomo” formado por un electrón y un hueco aparejados por la fuerza eléctrica de Coulomb en un semiconductor; se ligan igual que el electrón y el protón en un átomo de hidrógeno. Dos pares electrón-hueco, dos excitones, se pueden aparejar en un biexcitón (equivalente a la molécula de hidrógeno, H2) y tres en un triexcitón. Turner y Nelson (MIT, EE.UU.) publican en Nature un artículo que demuestra que en arseniuro de galio no existen estados ligados con más de tres excitones. Para ello han utilizado una nueva técnica de espectroscopia óptica no lineal coherente que usa un láser de femtosegundos (milbillonésimas de segundo). El trabajo puede tener aplicaciones en el diseño de nuevas células solares fotovoltáicas. Nos lo cuenta Gregory D. Scholes, “Condensed-matter physics: The dance of electrons and holes,” Nature 466: 1047–1048, 26 August 2010, haciéndose eco del artículo técnico de Daniel B. Turner, Keith A. Nelson, “Coherent measurements of high-order electronic correlations in quantum wells,” Nature 466: 1089–1092, 26 August 2010.

Os recuerdo algunas ideas sobre la conducción de la corriente eléctrica en un sólido cristalino. Los átomos de un sólido cristalino están ordenados en una estructura periódica tridimensional. Los electrones se encuentran deslocalizados por todo el sólido ocupando estados discretos de energía. El principio de exclusión de Pauli prohibe que dos electrones ocupen el mismo estado energético. Como todos los electrones en el sólido tienen números cuánticos parecidos, cada nivel de energía de un electrón en un solo átomo se divide, cuando hay N electrones en el sólido, en N niveles de energía muy próximos entre sí. Se forma una banda de energía, casi continua. Al siguiente nivel de energía le pasa lo mismo y se forma una segunda banda de energía, y así sucesivamente. La banda de menor energía completamente rellena de electrones se denomina banda de valencia. La siguiente banda, que está prácticamente vacía, se llama banda de conducción, por que los electrones responsables de la conducción eléctrica en el sólido son los que ocupan dicha banda. En los aislantes y semiconductores existe una región de energía prohibida (banda prohibida o bandgap) entre las bandas de valencia y conducción. Si la banda prohibida es muy grande, no hay electrones que puedan saltar de la banda de valencia a la de conducción y el sólido es un aislante. Si la banda prohibida es pequeña, habrá electrones que puedan saltar y el sólido es un semiconductor. Si no existe la banda prohibida, porque las bandas de valencia y conducción tienen una intersectan entre sí, el sólido es un conductor.

El arseniuro de galio (GaAs) es un semiconductor. Cuando absorbe un fotón, un electrón salta de la banda de valencia (llena de electrones) a la banda de conducción (vacía), dejando tras de sí un “hueco” (de carga opuesta al electrón) en la banda de valencia. Para la mecánica cuántica el hueco y el electrón se comportan como dos partículas en pie de igualdad, aunque de cargas opuestas. El hueco y el electrón se pueden mover de forma independiente por el material a temperatura ambiente. Un electrón en un sólido se mueve como si tuviera una masa “efectiva” diferente de su masa en reposo en el vacío y que depende del sólido considerado. El hueco también se mueve con una masa “efectiva” que es diferente a la del electrón. A baja temperatura (por debajo de 10 Kelvin en el GaAs), el electrón y el hueco pueden atraerse mutuamente por la fuerza de Coulomb y formar un estado estable, el excitón, muy similar a un átomo. Como tanto el electrón como el hueco son fermiones (partículas de espín semientero), el excitón tiene 2 estados posibles (L y H) con niveles de energía muy próximos. Dos excitones pueden ligarse entre sí para formar un biexcitón, una especie de molécula formada por dos electrones y dos huecos, que puede tener tres estados posibles (HH, HL y LL) con niveles de energía próximos. Tres excitones pueden formar un triexcitón con cuatro estados posibles de energía (HHH, HHL, HLL y LLL). En teoría se podrían formar estados ligados con más de tres excitones (multiexcitones).

El artículo de Turner y Nelson ha demostrado que en el GaAs no existen estados con cuatro excitones. La figura clave es la que abre esta entrada en la que se observa un línea (diagonal) a trozos. En dicha línea tendrían que observarse un pico correspondiente al estado HHHH del tetraexcitón (cuadexciton en inglés). En otras figuras parecidas se deberían observar picos asociados a sus otros posibles estados HHHL, HHLL, HLLL y LLLL. Como no se observa ningún pico, los autores concluyen que no existen los estados tetraexcitón en el GaAs y de ahí que tampoco existen estados multiexcitones con más de tres excitones. ¿Cómo se tendría que ver en la figura de la entrada el pico correspondiente a un tetraexcitón? Abajo tenéis lo que se ve para el estado HHH del triexcitón. El artículo técnico presenta otras figuras que analizan el comportamiento de los triexcitones en el GaAs, ya que si bien los estados de excitón y biexcitón habían sido muy estudiados en GaAs, este es uno de los primeros artículos que estudia los estados de triexcitón.