Consiguen enfriar electrones utilizando pozos cuánticos

Un equipo de investigadores de la Universidad de Texas en Arlington (EE.UU.) ha descubierto una manera de enfriar electrones a -228 ° C sin medios externos y a temperatura ambiente, un avance que podría permitir a los dispositivos electrónicos funcionar con muy poca energía.

El proceso consiste en hacer pasar los electrones a través de un pozo cuántico para enfriarlos y evitar que se calienten. Pozo cuántico es la denominación que recibe un pozo de potencial que confina, en dos dimensiones, partículas que originalmente tenían libertad para moverse en tres, forzándolas a ocupar una zona acotada. El equipo detalla su investigación en Nature Communications.

"Somos los primeros en enfriar electrones a temperatura ambiente de forma eficiente. Otros investigadores habían enfriado electrones anteriormente, pero sólo mediante la inmersión de todo el dispositivo en un baño de refrigeración extremadamente frío", explica en la nota de prensa de la UT Arlington Seong Jin Koh, profesor asociado del Departamento de Ciencia e Ingeniería de los Materiales, que ha dirigido la investigación. "La obtención de electrones fríos a temperatura ambiente tiene enormes beneficios técnicos. Por ejemplo, puede prescindirse del requisito de utilizar helio líquido o nitrógeno líquido para enfriar electrones en diversos sistemas de electrones".

Los electrones se excitan térmicamente incluso a temperatura ambiente, de forma natural. Si la excitación de electrones pudiera ser suprimida, entonces la temperatura de los electrones podría reducirse de forma eficiente sin refrigeración externa, señala Koh.

El equipo utilizó una estructura a nanoescala -que consta de una matriz secuencial de un electrodo fuente, un pozo cuántico, una barrera de túnel, un punto cuántico, otra barrera de túnel, y un electrodo de drenaje- para suprimir la excitación de electrones y para hacer que los electrones se enfríen.

Un nuevo tipo de transistor

Los electrones fríos abren la puerta a un nuevo tipo de transistor que podrá funcionar con un muy bajo consumo de energía. "La aplicación de nuestros hallazgos a la fabricación de transistores de bajo consumo está ya desarrollándose", añade Koh.

Usha Varshney, directora de programas de la Junta de Ingeniería de la Fundación Nacional de Ciencias estadounidense, que financió la investigación, asegura que los resultados de la investigación podrían ser enormes.

"Cuando se implementen en los transistores, estos resultados de investigación podrían reducir el consumo de energía de los dispositivos electrónicos actuales por más de 10", calcula. "Los dispositivos electrónicos personales tales como teléfonos inteligentes, iPads, etc., podrán durar mucho más tiempo sin recargarse."

Usos militares

Además de las aplicaciones comerciales potenciales, hay muchos usos militares para esta tecnología. Las baterías pesan mucho, y menos consumo de energía significa menos peso de las baterías de los equipos electrónicos que llevan los soldados, lo que aumentará su capacidad de combate. Otras aplicaciones militares potenciales incluyen la electrónica para sensores remotos, vehículos aéreos no tripulados y la computación de alta capacidad en operaciones remotas.

Investigaciones futuras podrían dedicarse a identificar elementos clave que permitirán a los electrones enfriarse aún más. El reto más importante de esta investigación es el futuro es evitar que el electrón adquiera energía a medida que viaja a través de los componentes del dispositivo.

Referencia bibliográfica:

Pradeep Bhadrachalam, Ramkumar Subramanian, Vishva Ray, Liang-Chieh Ma, Weichao Wang, Jiyoung Kim, Kyeongjae Cho, Seong Jin Koh: Energy-filtered cold electron transport at room temperature. Nature Communications (2014). DOI: 10.1038/ncomms5745.