interruptor molecular 18.03.2023

Un equipo internacional de investigadores, incluidos los del Instituto de Física del Estado Sólido de la Universidad de Tokio, ha realizado un descubrimiento innovador. Demostraron con éxito el uso de una sola molécula llamada fullereno como un interruptor similar a un transistor. El equipo logró esto mediante la aplicación de un pulso láser finamente calibrado que les permitió controlar de manera predecible la ruta del electrón de entrada.

El proceso de conmutación proporcionado por las moléculas de fullereno puede ser significativamente más rápido que los interruptores utilizados en los microchips, con aumentos de velocidad de tres a seis órdenes de magnitud según los pulsos láser utilizados. El uso de interruptores de fullereno en una red puede resultar en una computadora con capacidades más allá de lo que está disponible con los transistores electrónicos. Además, tienen el potencial de revolucionar los dispositivos de imágenes microscópicas, brindando un nivel de resolución sin precedentes.

Hace más de 70 años, los físicos descubrieron que las moléculas emiten electrones en presencia de campos eléctricos y luego ciertas longitudes de onda de luz. La emisión de electrones produjo patrones que despertaron curiosidad pero eludieron la explicación. Pero eso ha cambiado gracias a un nuevo análisis teórico, cuya ramificación no solo podría dar lugar a nuevas aplicaciones de alta tecnología, sino también a mejorar nuestra capacidad para escudriñar el propio mundo físico.

Una analogía simple de cómo funciona un interruptor de fullereno como un interruptor de tren. Un pulso de luz puede cambiar el camino tomado por un electrón de entrada, representado aquí por un circuito.

El investigador del proyecto Hirofumi Yanagisawa y su equipo teorizaron sobre cómo debería comportarse la emisión de electrones de las moléculas de fullereno excitadas cuando se exponen a ciertos tipos de luz láser y, después de probar sus predicciones, descubrieron que eran correctas.

Dependiendo del momento de la luz, el electrón puede permanecer en su curso predeterminado o ser redirigido de manera predecible. Entonces, es un poco como cambiar puntos en una vía férrea o un transistor electrónico, solo que mucho más rápido. Los científicos creen que podemos lograr velocidades de conmutación 1 millón de veces más rápidas que un transistor clásico. Y eso puede conducir a un rendimiento real en la informática. Pero igualmente importante, si podemos sintonizar el láser para hacer que la molécula de fullereno cambie de múltiples maneras al mismo tiempo, podría ser como tener múltiples transistores microscópicos en una sola molécula.

La molécula de fullereno en el corazón del interruptor está relacionada con el nanotubo de carbono quizás un poco más conocido, aunque en lugar de un tubo, el fullereno es una esfera de átomos de carbono. Cuando se colocan en un punto de metal, esencialmente el extremo de una horquilla, los fullerenos se orientan de cierta manera para guiar a los electrones de manera predecible. Pulsos de láser rápidos en la escala de femtosegundos, cuadrillonésimas de segundo, o incluso attosegundos, quintillones de segundo, se enfocan en las moléculas de fullereno para hacer que se emitan electrones. Esta es la primera vez que se usa luz láser para controlar la emisión de electrones de una molécula de esta manera.

En principio, dado que se pueden combinar varios interruptores electrónicos ultrarrápidos en una sola molécula, solo se necesitaría una pequeña red de interruptores de fullereno para realizar tareas computacionales mucho más rápido que los chips convencionales. Pero hay algunos obstáculos que superar, como por ejemplo, cómo miniaturizar el componente láser que se necesitará para crear este nuevo tipo de circuito integrado. Por lo tanto, podrían pasar muchos años antes de que veamos un teléfono inteligente basado en un interruptor de fullereno.