Desde hace un par de años, la computación y la electrónica cuántica están en boca de todos. Este 2023, el interés en esos dos ámbitos ha llegado a su clímax cuando los Premios Nobel homenajearon a Moungi Bawendi, Louis Brus y Alexei Ekimov por el descubrimiento y síntesis de los puntos cuánticos, una de las bases de esas dos tecnologías. Sin embargo, a pesar de ser un tema candente y muy actual, existe un cierto desconocimiento general acerca de qué son exactamente esas estructuras cuánticas y cómo las incorporan esos nuevos semiconductores para mejorar la eficiencia energética y la calidad de las transmisiones.
¿QUÉ SON LOS PUNTOS CUÁNTICOS?
Antes de entender exactamente qué son los puntos cuánticos, es conveniente recordar la estructura atómica, como aquel núcleo cargado de protones y neutrones, rodeado por electrones que orbitan sin parar a su alrededor. Bien, pues los puntos cuánticos no son, ni más ni menos, que estructuras muy muy pequeñas capaces de confinar a esos electrones ubicados en la parte más externa del átomo. Se trata de punto minúsculos, de la escala nanométrica, lo que los introduce directamente como objetos propios del campo de la nanotecnología y la nanociencia.
Obviamente, su pequeño tamaño los convierte en estructuras que no responden a las leyes de la física más clásica y tradicional, si no que su comportamiento se debe regir por el establecido por la mecánica cuántica, de ahí su nombre. Pero, ¿cómo son capaces entonces de confinar a los electrones en regiones tan mínimas? Pues bien, se consigue mediante ciertos tipos de potenciales electrostáticos que se crean en el átomo y, más concretamente, en la corteza, los cuales pueden originarse por electrodos colocados a ambos lados del átomo, por impulsos de tensión o, incluso, por simples impurezas naturales.
Ahora bien, la captura del electrón se hace en un espacio tan tan pequeño que aparece un fenómeno conocido como confinamiento cuántico. Esto viene a decir que el confinamiento es tan o más pequeño que la propia longitud de onda de De Broglie del electrón, por lo que este se ve obligado a moverse, solamente, en estados de energía muy determinados. En otras palabras: pierde su libertad y solo puede ocupar sitios específicos dentro del punto cuántico.
CARACTERÍSTICAS ÚNICAS
Ahora bien, esas características tan curiosas permiten a los puntos cuánticos poseer unas propiedades de lo más especiales. Y es que, por ejemplo, tienen la capacidad de manipular la luz y la electricidad de una forma muy controlada. Por ejemplo, cuando se ilumina un electrón confinado en un punto cuántico, estos absorben esa energía y se excitan, saltando a estados más altos (dentro de aquellos que estaban permitidos debido al confinamiento cuántico). Cuando el electrón se desexcita, vuelve a su estado de energía emitiendo energía en forma de fotones y, por lo tanto, de luz.
Lo curioso y más interesante es que la frecuencia a la que se mueva ese fotón, es decir, el color de esa luz dependerá directamente del tamaño del punto cuántico. Esto es debido a que el tipo de confinamiento cuántico que se produzca sobre el electrón vendrá directamente definido por el tamaño de los puntos y, por lo tanto, los estados de energía permitidos, en los que se puede mover, estarán directamente ligados también: la desexcitación desde estados diferentes de energía producirá una u otra frecuencia de fotones y, por lo tanto, uno u otro color en la luz emitida.
LOS NUEVOS SEMICONDUCTORES
Es justamente esa propiedad las que los convierte en la base perfecta para el desarrollo de nuevos semiconductores. Así, en la industria de la electrónica, por ejemplo, son utilizados en la construcción de nuevos monitores o televisiones, con el objetivo de mejorar la calidad de la imagen y la eficiencia energética: ajustando el tamaño del punto cuántico es posible seleccionar exactamente el color deseado para cada punto de la pantalla, lo que se traduce en una elección mucho más precisa y acertada de los tonos.
Asimismo, están también empezando a abrirse camino en la computación cuántica, donde se explora el uso de estos puntos para el desarrollo y creación de nuevos qubits, las unidades fundamentales en la computación. Finalmente, la optoelectrónica es un campo algo más desconocido, pero en el que los puntos cuánticos están pisando muy fuerte. Y es que, con los puntos cuánticos de materiales semiconductores es posible fabricar diodos láser emisores de luz mucho más eficientes que los usados hoy en día en lectores de CD o códigos de barra.
