07.07.2021 - Universität Basel

Semiconductores ultrafinos conectados eléctricamente a superconductores por primera vez

Nuevas propiedades y fenómenos

Por primera vez, investigadores de la Universidad de Basilea han dotado a un semiconductor ultrafino de contactos superconductores. Estos materiales extremadamente finos, con novedosas propiedades electrónicas y ópticas, podrían allanar el camino hacia aplicaciones nunca antes imaginadas. En combinación con los superconductores, se espera que den lugar a nuevos fenómenos cuánticos y se utilicen en la tecnología cuántica.

Ya sea en los teléfonos inteligentes, los televisores o la tecnología de la construcción, los semiconductores desempeñan un papel fundamental en la electrónica y, por tanto, en nuestra vida cotidiana. A diferencia de los metales, es posible ajustar su conductividad eléctrica aplicando un voltaje y, por tanto, encender y apagar el flujo de corriente.

Con vistas a futuras aplicaciones en la electrónica y la tecnología cuántica, los investigadores se centran en el desarrollo de nuevos componentes formados por una sola capa (monocapa) de un material semiconductor. Algunos materiales naturales con propiedades semiconductoras presentan monocapas de este tipo, apiladas para formar un cristal tridimensional. En el laboratorio, los investigadores pueden separar estas capas -que no son más gruesas que una sola molécula- y utilizarlas para construir componentes electrónicos.

Nuevas propiedades y fenómenos

Estos semiconductores ultrafinos prometen ofrecer características únicas que de otro modo serían muy difíciles de controlar, como el uso de campos eléctricos para influir en los momentos magnéticos de los electrones. Además, en estas monocapas semiconductoras se producen complejos fenómenos de mecánica cuántica que pueden tener aplicaciones en la tecnología cuántica.

Científicos de todo el mundo investigan cómo pueden apilarse estos delgados semiconductores para formar nuevos materiales sintéticos, conocidos como heteroestructuras de van der Waals. Sin embargo, hasta ahora no habían conseguido combinar dicha monocapa con contactos superconductores para profundizar en las propiedades y peculiaridades de los nuevos materiales.

Contactos superconductores

Un equipo de físicos, dirigido por el Dr. Andreas Baumgartner en el grupo de investigación del profesor Christian Schönenberger en el Instituto Suizo de Nanociencia y el Departamento de Física de la Universidad de Basilea, ha equipado por primera vez una monocapa del semiconductor disulfuro de molibdeno con contactos superconductores.

La razón por la que esta combinación de semiconductor y superconductor es tan interesante es que los expertos esperan que los componentes de este tipo presenten nuevas propiedades y fenómenos físicos. "En un superconductor, los electrones se organizan en parejas, como parejas en un baile, con consecuencias extrañas y maravillosas, como el flujo de la corriente eléctrica sin resistencia", explica Baumgartner, director del proyecto del estudio. "En el semiconductor disulfuro de molibdeno, en cambio, los electrones ejecutan una danza completamente diferente, una extraña rutina en solitario que también incorpora sus momentos magnéticos. Ahora queremos averiguar qué nuevas y exóticas danzas acuerdan los electrones si combinamos estos materiales".

Adecuado para su uso como plataforma

Las mediciones eléctricas a las bajas temperaturas requeridas para la superconductividad - justo por encima del cero absoluto (-273,15°C) - muestran claramente los efectos causados por el superconductor; por ejemplo, a ciertas energías, los electrones individuales ya no se permiten. Además, los investigadores encontraron indicios de un fuerte acoplamiento entre la capa semiconductora y el superconductor.

"El fuerte acoplamiento es un elemento clave en los nuevos y emocionantes fenómenos físicos que esperamos ver en tales heteroestructuras de van der Waals, pero que nunca pudimos demostrar", dice Mehdi Ramezani, autor principal del estudio.

"Y, por supuesto, siempre esperamos nuevas aplicaciones en electrónica y tecnología cuántica", dice Baumgartner. "En principio, los contactos verticales que hemos desarrollado para las capas semiconductoras pueden aplicarse a un gran número de semiconductores. Nuestras mediciones demuestran que estos componentes semiconductores monocapa híbridos son realmente posibles, quizá incluso con otros materiales de contacto más exóticos que abrirían el camino a nuevos descubrimientos", añade.

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