Un equipo internacional de investigadores del Forschungszentrum Jülich (Alemania), la Universidad de Tohoku (Japón) y la École Polytechnique de Montréal (Canadá) ha hecho un descubrimiento significativo en la ciencia de los semiconductores al revelar las notables propiedades materiales relacionadas con el espín de los semiconductores de germanio-estaño (GeSn), que podrían aumentar sus capacidades para cubrir las exigencias del mercado actual.
Los semiconductores controlan el flujo eléctrico que alimenta la tecnología cotidiana. Sin embargo, la tecnología avanza a una velocidad tan rápida que está poniendo a prueba las tecnologías de semiconductores actuales.
Según los investigadores, los semiconductores se están acercando a sus límites físicos y de eficiencia energética en términos de velocidad, rendimiento y consumo de energía, por lo que es necesario desarrollar semiconductores capaces de cubrir las necesidades más exigentes, como las redes 5G/6G y el mayor uso de la inteligencia artificial (IA).
Para superar estos desafíos, los científicos están recurriendo a nuevas clases de semiconductores, denominadas aleaciones del grupo IV, que pueden ofrecer capacidades superiores a las que el silicio y el germanio por sí solos pueden ofrecer. El objetivo no solo es mantener la compatibilidad con la plataforma tecnológica existente basada en silicio, que sustenta la industria electrónica y fotónica global, sino también introducir funcionalidades completamente nuevas, desde un procesamiento más rápido y un menor consumo energético hasta la integración con tecnologías fotónicas y cuánticas.
Investigación basada en la espintrónica
Una línea de investigación prometedora es la espintrónica, un enfoque que trasciende la electrónica tradicional al utilizar la propiedad cuántica del momento angular intrínseco del electrón, comúnmente conocido como espín, en lugar de basarse únicamente en su carga eléctrica. El trabajo de los investigadores desvela las propiedades materiales de la aleación de GeSn con silicio integrado, destacando su baja masa efectiva de huecos pesados en el plano, un elevado factor g y su anisotropía.
Un hueco en un semiconductor es la ausencia de un electrón, que actúa como una pequeña carga positiva. En computación cuántica, los huecos son útiles porque pueden almacenar y procesar información cuántica, lo que permite operaciones rápidas y largos tiempos de coherencia dentro de las plataformas de semiconductores existentes. En particular, el equipo confirmó una alta energía de desdoblamiento de espín, lo que indica que los semiconductores de GeSn pueden presentar ventajas considerables sobre materiales convencionales como el silicio y el ge.
Desarrollo de dispositivios electrónicas de próxima generación
Además, es una ruta muy prometedora para cúbits y dispositivos espintrónicos de baja potencia. Cabe destacar que las aleaciones de GeSn son compatibles con semiconductores complementarios de óxido metálico (CMOS), lo que posiciona este logro como un paso crucial hacia avances revolucionarios en el procesamiento de información cuántica y los dispositivos electrónicos de próxima generación.
Más allá de la cuántica y la espintrónica, el GeSn también ofrece importantes ventajas en aplicaciones integradas de láser, termoeléctricas y electrónicas. Su singular estructura de banda permite una emisión de luz eficiente, lo que lo convierte en un candidato óptimo para láseres en chip y fotónica.
Al mismo tiempo, sus favorables propiedades térmicas y electrónicas abren posibilidades para una mejor conversión de energía termoeléctrica y transistores más eficientes. Esta versatilidad convierte al GeSn no solo en un material para la investigación cuántica, sino en una plataforma semiconductora multifuncional que podría transformar múltiples industrias.