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Científicos crean el primer Líquido de Electrones a temperatura ambiente


Un equipo de físicos de la Universidad de California, Riverside, produjo el primer "hueco de electrones líquidos" a temperatura ambiente.

En los dispositivos electrónicos convencionales, la electricidad requiere del movimiento de los electrones (esferas azules) y sus contrapartes positivas, llamados huecos de electrones (esferas rojas), que se comportan de manera muy similar a las moléculas de gas en nuestra atmósfera. Aunque se mueven rápidamente y chocan con poca frecuencia en la fase gaseosa, los electrones y los huecos pueden condensarse en gotitas de líquido, similares al agua líquida, en dispositivos compuestos de materiales ultrafinos.

Hueco de Electrón
Primero entendamos qué es un hueco de electrones. Un hueco de electrón es la ausencia de un electrón en la banda de valencia que estaría normalmente completa sin el «hueco». Una banda de valencia completa (o casi completa) es característica de los aislantes y de los semiconductores.

Considerado lo anterior, el hueco de electrón es, junto al electrón, entendido como uno de los portadores de carga que contribuyen al paso de corriente eléctrica en los semiconductores. El hueco de electrón tiene valores absolutos de la misma carga que el electrón pero, contrariamente al electrón, su carga es positiva.

Los «huecos» no son partículas como sí lo es —por ejemplo— el electrón, sino la «falta» de un electrón en un semiconductor;​ a cada falta de un electrón —entonces— resulta asociada una complementaria carga de signo positivo (+).

El Experimento
En los experimentos, el Dr. Nathaniel Gabor, de la Universidad de California, y sus coautores, construyeron una estructura en capas ultrafinas del semiconductor telururo de molibdeno, entre capas de grafeno. La estructura en capas era ligeramente más gruesa que el ancho de una molécula de ADN.

Luego, los investigadores bombardearon el material con pulsos láser súper rápidos, medidos en cuatrillones de un segundo.

"Normalmente, con semiconductores como el silicio, la excitación con láser crea electrones y sus orificios cargados positivamente que se difunden y se desplazan en el material, que es como se define un gas", dijo el Dr. Gabor.

Sin embargo, el equipo detectó evidencia de condensación en el equivalente de un líquido. Un líquido de este tipo tendría propiedades similares a los líquidos comunes, como el agua, excepto que consistiría, no en moléculas, sino en electrones y huecos de electrones en el semiconductor.

"Estábamos aumentando la cantidad de energía que se descargaba en el sistema, y no vimos nada, nada, nada; luego, de repente, vimos la formación de lo que llamamos un "anillo de fotocorriente anómalo" en el material. Nos dimos cuenta de que era un líquido porque crecía como una gota, en lugar de comportarse como un gas", dijo el Dr. Gabor.

“Sin embargo, lo que realmente nos sorprendió fue que sucedió a temperatura ambiente. Anteriormente, los investigadores que habían creado tales líquidos con huecos de electrón, solo habían podido hacerlo a temperaturas más frías que incluso en el espacio profundo".

"Las propiedades electrónicas de tales líquidos permitirían el desarrollo de dispositivos optoelectrónicos que operan con una eficiencia sin precedentes en la región de terahercios del espectro".

Las longitudes de onda de los terahercios son más largas que las infrarrojas, pero más cortas que las de microondas, y ha existido una "brecha de terahercios" en la tecnología para saber cómo utilizar tales ondas.

Utilidades
Las ondas de terahercios se podrían usar para detectar cánceres de piel y caries dentales debido a su limitada penetración y su capacidad para resolver las diferencias de densidad.

De manera similar, las ondas podrían usarse para detectar defectos en productos como las tabletas de pastillas y para descubrir armas ocultas debajo de la ropa.

Los transmisores y receptores de terahercios también podrían usarse para sistemas de comunicación más rápidos en el espacio exterior.

Y, el hueco de electrón líquido podría ser la base de las computadoras cuánticas, que ofrecen el potencial de ser mucho más pequeñas que los circuitos basados en silicio que ahora están en uso.

"De manera más general, la tecnología utilizada en el laboratorio podría ser la base para diseñar 'metamateriales cuánticos' con dimensiones de escala atómica que permitan la manipulación precisa de los electrones para hacer que se comporten de nuevas maneras", concluyen diciendo los investigadores.

Crédito de la imagen:
QMO Lab, University of California, Riverside.

Referencia del documento científico:
Trevor B. Arp et al. Hueco de electrones líquidos en una fotocélula de heteroestructura de van der Waals a temperatura ambiente. Nature Photonics, volumen 13, páginas 245–250 (2019); doi: 10.1038 / s41566-019-0349-y

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