Se ha descubierto que una molécula de carbono única tiene la capacidad de actuar como múltiples interruptores de alta velocidad simultáneamente.

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

La conmutación habilitada por los fullerenos puede ser mucho más rápida que los interruptores utilizados en los microchips, con un aumento de velocidad de tres a seis órdenes de magnitud, según los pulsos láser utilizados. El uso de transformadores de fullereno en la red podría conducir a la creación de una computadora con capacidades más allá de lo que actualmente se puede lograr con los transistores electrónicos. Además, tienen el potencial de revolucionar los dispositivos de microscopía de imágenes al proporcionar niveles de resolución sin precedentes.

Hace más de 70 años, los físicos descubrieron que las moléculas emiten electrones en presencia de campos eléctricos y, posteriormente, de ciertas longitudes de onda de luz. Las emisiones de electrones crearon patrones que eran intrigantes pero eludían la explicación. Pero eso ha cambiado gracias al nuevo análisis teórico, cuyas ramificaciones podrían no solo conducir a nuevas aplicaciones de alta tecnología, sino también mejorar nuestra capacidad para examinar el mundo físico en sí.

Una analogía simple de cómo un interruptor de fullereno actúa como un interruptor de vías de tren. El pulso de luz puede cambiar el camino tomado por el electrón entrante, representado aquí por un tren. Crédito: 2023 Yanagisawa et al.

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

“Lo que hemos podido hacer aquí es controlar la forma en que la molécula dirige el camino del electrón entrante con un pulso muy corto de luz láser roja”, dijo Yanagisawa. “Dependiendo del pulso de luz, el electrón puede permanecer en su camino virtual o puede ser redirigido de una manera predecible. Así que es un poco como cambiar puntos en una vía de tren, o un transistor de electrones, mucho más rápido. Creemos que podemos lograr una velocidad de conmutación más rápida Un millón de veces la de un transistor clásico. Esto podría traducirse en un rendimiento informático real. Pero igualmente importante es que si podemos sintonizar el láser para persuadir a una molécula de fullereno a cambiar de múltiples maneras al mismo tiempo, podría ser como tener múltiples transistores microscópicos en una molécula Uno. Esto puede aumentar la complejidad del sistema sin aumentar su tamaño físico”.

La molécula de fullereno detrás del interruptor está unida al nanotubo de carbono que es el más conocido, aunque en lugar de un tubo, el fullereno es una bola de átomos de carbono. Cuando se colocan en una punta de metal, básicamente el extremo de un alfiler, los fullerenos se orientan de cierta manera para orientar los electrones de manera predecible. Rápidos pulsos de láser en la escala de femtosegundos, cuatro millonésimas de segundo, o incluso attosegundos, fracciones de una millonésima de segundo, enfocan las moléculas de fullereno para estimular la emisión de electrones. Esta es la primera vez que la luz láser se utiliza para controlar la emisión de electrones de una molécula de esta manera.

“Esta técnica es similar a la forma en que un microscopio electrónico de emisión óptica produce imágenes”, dijo Yanagisawa. “Sin embargo, estos pueden lograr resoluciones en el mejor de los casos de alrededor de 10 nanómetros, o diez mil millonésimas de metro. El interruptor de fullereno mejora esto y permite una resolución de aproximadamente 300 picómetros, o trescientas trillonésimas de metro”.

En principio, dado que muchos interruptores electrónicos ultrarrápidos pueden integrarse en una sola molécula, solo se necesitaría una pequeña red de interruptores de fullereno para realizar tareas informáticas que son potencialmente mucho más rápidas que los microchips convencionales. Pero hay muchos obstáculos que superar, como por ejemplo cómo miniaturizar el componente láser, que sería necesario para crear este nuevo tipo de circuito integrado. Por lo tanto, aún pueden pasar muchos años antes de que veamos un teléfono inteligente basado en una clave de fullereno.

Referencia: “Modificación a subnanoescala inducida por la luz de una fuente de electrones de una sola molécula” por Hirofumi Yanagisawa, Marcus Bonn, Hirotaka Kitoh Nishioka, Florian Joshin y Matthias F. Kling, 8 de marzo de 2023, disponible aquí. Cartas de revisión física.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.106204

El estudio fue financiado por PRESTO y la Fundación Alemana de Investigación.