Nuevo récord hacia la electrónica de los petahercios

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La velocidad de conmuntación on/off de un transistor depende del tiempo en el que un material semiconductor pasa de ser aislante a conductor, cuando sus electrones saltan de la banda de valencia a la de conducción. La limitación física más estricta es la frecuencia de oscilación de los electrones en el aislante. En el SiO2 varios estudios apuntaban un límite superior de un petahercio (PHz). Un artículo en Nature logra superar dicha barrera, alcanzando casi 6 PHz. Gracias a efectos no lineales entre la luz y los electrones, se observa que éstos emiten pulsos ultracortos a casi 500 attosegundos.

El artículo es M. Garg, M. Zhan, …, E. Goulielmakis, “Multi-petahertz electronic metrology,” Nature 538: 359–363 (20 Oct 2016), doi: 10.1038/nature19821. Un resumen breve en Michael Chini, “Optical physics: Speedy electrons exposed in a flash,” Nature 538: 325–326 (20 Oct 2016), doi: 10.1038/538325a.

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El nuevo trabajo presenta una técnica de metrología de electrones en la escala de los petahercios. Un pulso óptico de 1,2 ciclos muy intenso (campo eléctrico ≈ 1.1 V/Å) en el ultravioleta extremo (EUV) induce el movimiento de los electrones en el dióxido de silicio a frecuencias de varios petahercios (1 PHz = 1015 Hz), que se observa gracias a la emisión de pulsos de attosegundos (1 as = 10−18 s); la densidad de corriente de estos electrones alcanza ~1011 A/m², un orden de magnitud mayor que estudios previos. En este estudio se han usado nanopelículas de dióxido de silicio de ~120 nanómetros (nm). El esquema experimental es sencillo pero ingenioso.

En resumen, poder observar estas transiciones tan rápidas, por un lado, demuestra que existen, y, por otro lado, ofrece información muy relevante para el diseño de dispositivos en la futura electrónica de los petahercios. El físico alemán Ferdinand Braun, que descubrió la conmutación (rectificación) en semiconductores en 1874, Premio Nobel de Física en 1909, nunca soñó que algún día se podría observar en detalle la rectificación de los electrones usando pulsos ópticos.


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