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Los pulsos láser ultrarrápidos iluminan la informática del futuro

Para construir nuevos tipos de dispositivos electrónico y ópticos, los científicos necesitan controlar los fenómenos que tienen lugar a escala atómica en una billonésima de segundo.

Economía digital

La ley de Moore establece que los ordenadores deberían duplicar su velocidad cada dos años. Esta predicción se ha cumplido en gran parte pero, en algún momento, los microchips de silicio serán tan pequeños y tan rápidos que las interacciones atómicas aparecerán en escena, lo que obstaculizará avances posteriores. El proyecto financiado con fondos europeos DIVI promete superar este escollo al desarrollar conocimientos sobre la electrónica de ondas luminosas, donde los fundamentos de la óptica se emplean para dirigir y controlar electrones a escala atómica.

La próxima generación de la informática

Peter Baum, coordinador del proyecto DIVI, comenta: «El material no serán semiconductores, sino cristales moleculares y metamateriales sintéticos, que funcionarán a frecuencias ópticas, cien terahercios, lo que es más de mil veces más rápido que los dispositivos electrónicos convencionales». El principio que subyace a los ordenadores de onda luminosa es guiar a los electrones a través de un material utilizando las oscilaciones tremendamente rápidas de la luz láser, lo que proporciona un nivel de velocidad y control inalcanzable en la electrónica actual. Los componentes tradicionales de silicio son sustituidos por estructuras atómicas y metamateriales, minúsculas redes de antenas con un tamaño inferior a la longitud de onda de la luz, que pueden dar forma a la amplitud y la fase de la luz según sea necesario. Visualizar y controlar los cambios ultrarrápidos en estos metamateriales cuando interactúan con la luz constituyó el principal reto del proyecto DIVI. «Si mira a su alrededor, toda la materia que ve en gases, líquidos y sólidos está hecha de átomos, que adoptan configuraciones complejas y están enlazados por electrones, que también adoptan configuraciones complejas, y todo cambia constantemente», explica Baum. «Nuestro objetivo es, en último término, hacer visibles los cambios a escala atómica en el espacio y el tiempo, y luego controlarlos».

Microscopía de electrones

Para lograr la visualización espaciotemporal necesaria, el equipo con sede en la Universidad de Constanza utilizó un microscopio de electrones acoplado con un láser que puede emitir pulsos a intervalos inferiores a una millonésima de una milmillonésima de segundo, tan rápido como las oscilaciones del campo electromagnético de una onda luminosa. El resultado es lo que Baum denomina un microscopio de electrones de attosegundos. El grupo llevó a cabo una serie de desarrollos tecnológicos revolucionarios y, a continuación, varios experimentos de prueba de principio, cuyos resultados se publicaron en varias revistas, por ejemplo dos veces en «Science» en 2016 y, después, en «Nature Physics» y «Science Advances». Baum comenta: «Hicimos una película multidimensional de las ondas luminosas a medida que oscilan alrededor de un metamaterial; fue realmente increíble observar por primera vez este proceso, cuyas potenciales aplicaciones prácticas en el futuro nos entusiasmaron».

Tiempo y espacio

La investigación contó con el respaldo del Consejo Europeo de Investigación (CEI). «Este trabajo no hubiera sido posible sin su apoyo, es así de sencillo —agrega Baum—. Gracias a la prestigiosa financiación del CEI pudimos adquirir el equipo esencial y reunir el personal de renombre mundial necesario para hacer realidad nuestras ideas». Ahora, el equipo se propone emplear su nuevo microscopio de electrones de attosegundos para analizar materiales y metamateriales mucho más complejos. El objetivo es comenzar a construir una biblioteca de componentes que puedan replicar las funciones de los circuitos tradicionales, lo que favorecerá el desarrollo de ordenadores de ondas luminosas y componentes ópticos novedosos. Un requisito previo es lograr observaciones espaciotemporales del movimiento electrónico y atómico. Tal como Baum dice: «Solo puedes controlar lo que puedes medir».

Palabras clave

DIVI, onda luminosa, ordenadores, terahercios, attosegundos, electrón, atómico, tiempo, espacio, metamaterial, Baum

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