Flujo de energía en semiconductores: nuevos conocimientos gracias a la espectroscopia ultrarrápida
Inimaginablemente pequeño
Por primera vez y con una precisión sin precedentes, un equipo de investigadores de la Universidad de Basilea ha observado mecanismos únicos de flujo de energía en un material semiconductor tras su excitación por pulsos láser extremadamente cortos. Comprender mejor estos flujos de energía es vital para mejorar la eficiencia de los dispositivos electrónicos y los chips informáticos.
Ya sea en un teléfono inteligente o en un ordenador portátil, los semiconductores constituyen la base de la electrónica moderna y nos acompañan constantemente en la vida cotidiana. Los procesos que tienen lugar en el interior de estos materiales son objeto de investigación permanente. Cuando los electrones de un material semiconductor se activan mediante la luz o una tensión eléctrica, los electrones excitados también ponen en movimiento la red atómica. Esto da lugar a vibraciones colectivas de los átomos, conocidas como fonones o vibraciones de red, que interactúan entre sí y con los propios electrones.
Estas minúsculas vibraciones desempeñan un papel fundamental en el flujo y la disipación de la energía a través del material, es decir, en la eficacia con la que se redistribuye la energía y la intensidad con la que se calienta el material. Se pueden utilizar distintos métodos para controlar y supervisar la propagación de las vibraciones reticulares y, por tanto, hacer que el semiconductor sea más eficaz y eficiente.
El conocimiento detallado de los mecanismos de pérdida de energía y posible sobrecalentamiento es esencial para diseñar nuevos materiales y dispositivos que se calienten menos, se recuperen más rápido o respondan a excitaciones externas con mayor precisión. Un equipo dirigido por la profesora Ilaria Zardo, de la Universidad de Basilea, informa sobre la precisión sin precedentes que han alcanzado en las mediciones de los procesos de flujo de energía dentro del semiconductor germanio, de uso frecuente en tecnología informática, según publica la revista Advanced Science.
Flujo de energía tras una excitación ultrarrápida
El equipo del Departamento de Física y el Instituto Suizo de Nanociencia ha desarrollado una técnica exclusiva que permite medir con precisión cómo se mueven e intercambian energía los electrones y fonones en la red cristalina del material analizado tras una excitación con pulsos láser ultracortos de tan sólo 30 femtosegundos (1 femtosegundo equivale a 10-15 segundos). De este modo, los físicos pudieron demostrar cómo fluye la energía, cómo se transfiere y cómo se convierte en calor dentro del material.
"Por primera vez, la combinación de dos técnicas espectroscópicas nos permitió observar cómo se transfiere la energía paso a paso desde el sistema electrónico a la red. También podemos observar cómo la frecuencia, intensidad y duración de las vibraciones de la red cambian con el tiempo tras la excitación", explica la Dra. Grazia Raciti, primera autora de la publicación.
Inimaginablemente pequeño
En este caso, una de las técnicas espectroscópicas, conocida como espectroscopia Raman resuelta en el tiempo, mide cambios minúsculos en las vibraciones de la red atómica. La segunda técnica, conocida como espectroscopia de reflexión transitoria, registra el cambio en el comportamiento de la luz tras una breve excitación.
El reto de estas mediciones está relacionado con las diminutas señales y la escala temporal en la que se producen las interacciones. En las mediciones realizadas durante un periodo de 48 horas, el sistema se excita con un breve pulso láser una vez por microsegundo. Los cambios observados en el sistema se producen entonces en la escala temporal del picosegundo. La Dra. Begoña Abad Mayor, investigadora del equipo de Zardo, explica estas dimensiones inimaginablemente pequeñas utilizando una analogía: "Si imaginamos que el intervalo de tiempo entre dos pulsos láser (que en realidad es de 1 microsegundo) dura 10 días, la respuesta de la muestra que registramos en el semiconductor dura apenas un segundo".
Por consiguiente, estas mediciones acceden a escalas de tiempo increíblemente rápidas con una sensibilidad extremadamente alta. Los investigadores pueden detectar cambios minúsculos de menos del 1 por ciento en intensidad y de menos de 0,2 cm-¹ en frecuencia. Con esta resolución temporal y energética a escala atómica, es posible diferenciar entre diversos mecanismos de pérdida de energía.
Los investigadores del Departamento de Física y del Instituto Suizo de Nanociencia de la Universidad de Basilea complementaron sus investigaciones experimentales con simulaciones informáticas de última generación. Esto les permitió comprender en detalle los procesos físicos subyacentes a los resultados de las mediciones.
Comprensión necesaria para el desarrollo futuro
El resultado combinado proporciona una imagen detallada de cómo se distribuye y disipa la energía en el germanio tras una excitación ultrarrápida. "Esta investigación básica es vital para comprender y seguir desarrollando la electrónica moderna y los nuevos componentes fonónicos, lo que puede dar lugar a mejores chips, sensores y otros dispositivos electrónicos", afirma Zardo.
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Publicación original
Grazia Raciti, Begoña Abad, Riccardo Dettori, Raja Sen, Aswathi K. Sivan, Jose M. Sojo‐Gordillo, Nathalie Vast, Riccardo Rurali, Claudio Melis, Jelena Sjakste, Ilaria Zardo; "Unraveling Energy Flow Mechanisms in Semiconductors by Ultrafast Spectroscopy: Germanium as a Case Study"; Advanced Science, 2026-1-12
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