pulsos de luz

ElEctrnica con pulsos dE luzLos pulsos ultracortos de luz lser tal vez ofrezcan una salida al lmite con el que pronto chocar la miniaturizacin de los componentes electrnicos

Martin Schultze y Ferenc Krausz

Martin Schultze trabaja en el Laboratorio de Attofsica del Instituto Max Planck de ptica Cuntica (MPQ) de Garching.

Ferenc Krausz es director cientfico en el MPQ y catedrtico de fsica en la Universidad Ludwig Maximilian de Mnich. En 2001, su grupo de investigacin cre el primer pulso lser de attosegundos de duracin, lo que por primera vez brind la posibilidad de resolver procesos fsicos con dicha escala temporal.

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78 INVESTIGACIN Y CIENCIA, mayo 2015

Al incidir sobre un dielctrico, un pulso lser muy intenso puede modificar las propiedades electrnicas del material y hacer que se vuelva conductor.

Dicho efecto resulta similar al que tiene lugar en un transistor semiconductor sometido a una diferencia de potencial, pero opera varios miles de veces ms rpido.

El hallazgo ha sido posible gracias al empleo de pulsos lser de attosegundos de duracin. Su aplicacin a la electrnica podra revolucionar la velocidad de cmputo.

E N S N T E S I S

A mediados del siglo xx, un pequeo dispositivo elec- trnico desat una revolucin tecnolgica: el tran-sistor de efecto de campo. Gracias a su capacidad para controlar el paso de la corriente elctrica, este componente sentara las bases de los modernos sis-

temas de comunicacin y tratamiento de datos. Hoy, un telfono inteligente contiene del orden de mil millones de estos transis-tores. Cada uno de ellos mide apenas unos 20 nanmetros, me-nos que muchos virus. Sin embargo, la miniaturizacin de los dispositivos electrnicos alcanzar en breve sus lmites fsicos. Necesitaremos una nueva revolucin?

Los principios de operacin de los transistores de efecto de campo se han mantenido invariantes desde que aparecieron los primeros prototipos. Compuestos por semiconductores, pueden concebirse como pequeos interruptores que solo se activan cuando se les aplica una pequea diferencia de potencial. Cuan-

do eso sucede, el material se torna conductor y transmite la electricidad.

Pero, si bien la miniaturizacin de los componentes bsicos no continuar para siempre, el proceso de conmutacin tal vez pueda acelerarse de forma radical. Para ello, en lugar de una diferencia de potencial, lo que dejara pasar la electricidad a travs del dispositivo sera el campo elctrico de un lser. Si un transistor pudiese controlarse con un pulso de luz lser, tal y como se hace ya en medicina y en tcnicas de tratamiento de materiales, sera posible acelerar su funcionamiento hasta la escala del femtosegundo (una milbillonsima de segundo, o 1015 segundos), una velocidad de operacin miles de veces mayor que la de los mejores transistores actuales.

En el curso de nuestras investigaciones, hemos descubierto un material (el cuarzo) cuya capacidad de conduccin puede activarse y desactivarse mediante pulsos lser ultracortos, en los

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LOS TRANSISTORES DEL FUTURO? Los pulsos lser ultracortos (ondas) pueden alterar las propieda-des de algunos dielctricos, como el cuarzo (centro), y conmutar el paso de la corriente elctrica (verde) mucho ms rpido que los dispositivos semiconduc-tores actuales. Esta tcnica tal vez permita superar el lmite fsico de miniaturizacin al que pronto habrn de enfrentarse los componentes electrnicos.


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que el campo elctrico apenas completa unas pocas oscilaciones. Estos pulsos, desarrollados en el Instituto Max Planck de ptica Cuntica de Garching, nos han permitido entender la dinmica de los procesos de activacin por medio de deste-llos luminosos. Para explorar en detalle tales fenmenos, que ocurren en la escala del femtosegundo, fue necesario subdividir-los en procesos an ms breves. A tal fin tuvimos que emplear tcnicas de attofsica, una disciplina que comenz su andadura hace unos diez aos y que permite estudiar fenmenos que suceden en pocas trillonsimas de segundo (1018 segundos).

UN LSER INUSUALDesde hace unos veinte aos, resulta posible generar pulsos lser de unos pocos femtosegundos de duracin, lo que equivale a unas pocas oscilaciones del campo elctrico. Ello se consigue gracias a lseres muy distintos de los tradicionales. La diferencia ms evidente es el color blanco de su luz, ya que su espectro incluye multitud de frecuencias, o colores. Esta propiedad es lo que permite que los pulsos resulten tan breves, ya que, en gene-ral, la duracin de una seal y su amplitud espectral guardan una relacin inversa. Adems, la separacin entre dos pulsos individuales resulta infinita a efectos prcticos: cada segundo, uno de estos lseres emite del orden de mil pulsos de femto-segundos de duracin. Para entender mejor esta proporcin, pensemos que, si uno de estos dispositivos estuviese funcio-nando ininterrumpidamente durante cien aos, solo radiara el equivalente a un pulso de una milsima de segundo.

Por un lado, nos propusimos emplear estos pulsos lser ul-tracortos para modificar de manera controlada las propiedades de los materiales que investigbamos. Por otro, gracias a ellos logramos tambin estudiar los procesos que la luz induca en el material. Para lograrlo nos servimos de un fenmeno estre-chamente relacionado: la generacin de destellos de rayos X de attosegundos de duracin.

Cuando un pulso lser de unos pocos femtosegundos excita los electrones de la envoltura atmica, estos emiten destellos de rayos X de unos 70 attosegundos; hoy por hoy, las seales ms breves que la tcnica puede producir. Estos permiten estudiar en tiempo real el movimiento de los electrones en el interior

de tomos y molculas, as como la dinmica electrnica de un slido. Dado que dichos destellos de rayos X son genera-dos a partir de pulsos de luz lser, gozan de las propiedades ideales para efectuar mediciones de gran resolucin tempo-ral: ambas emisiones forman un par de pulsos perfectamente sincronizados y cuya secuencia temporal puede regularse con gran precisin.

Tales propiedades han hecho posible el desarrollo de la tc-nica conocida como bomba-sonda (pump-probe), la cual se emplea para investigar procesos que, a causa de su rapidez, no pueden analizarse por otros mtodos. En ella, un primer pulso lser (la bomba) excita los electrones del material objeto de estudio. Luego, tras un intervalo temporal prefijado, el efecto provocado por ese primer pulso se mide con ayuda de un pul-so de rayos X de pocos attosegundos (la sonda). La resolucin temporal de esta tcnica solo se ve limitada por dos aspectos: por un lado, la duracin del pulso de rayos X; por otro, el valor ms pequeo en que resulta posible variar el intervalo temporal entre ambos pulsos. Ambas cantidades se encuentran hoy en el dominio de unas pocas decenas de attosegundos. La repeticin de las mediciones a distintos intervalos de tiempo permite re-gistrar de manera gradual el efecto estudiado, como si se tratase de los fotogramas de una pelcula. Ello permite revelar procesos que apenas duran unos pocos attosegundos.

Esta tcnica resulta ideal para investigar el comportamiento de los electrones en un slido que interacciona con el intenso campo elctrico de un pulso lser de corta duracin. Por esta razn, constituye la herramienta perfecta para abordar nuestra pregunta: podemos conseguir que en un material se den pro-cesos de conmutacin activados por luz?

EL FIN DE LA LEY DE MOORE?Los tomos de un slido cristalino forman un retculo tridimen-sional. Comparten entre s algunos de sus electrones, por lo que los nodos de la red pueden considerarse iones de carga positiva. Si un electrn se desplaza a travs del retculo, los tomos del cristal y el resto de los electrones ejercern una fuerza sobre l. Dicha fuerza, que cambia de forma peridica en el espacio, tiene como consecuencia que el electrn nicamente puede alcanzar

e n e l d o m i n i o d e l at t o s e g u n d o

Generacin de destellos ultracortos de rayos Xlos pulsos lser de femtosegundos permiten generar destellos ultracortos de rayos X. cuando la luz lser incide sobre un tomo de gas noble, el campo elctrico del pulso (rojo) deforma por un instante el pozo de potencial que mantiene a los electrones en el tomo (lnea gris discontinua). como consecuencia, un electrn puede verse acelerado por el campo elctrico del lser y abandonar el poten-cial atractivo (izquierda). tras medio perodo de oscilacin, el campo del lser cambia de signo (centro), el electrn es acelerado hacia el ncleo atmico y recupera su antiguo estado en el pozo de potencial (derecha). El exceso de energa cintica es entonces radiado en forma de un destello de rayos X de pocos attosegundos de duracin (azul).

Energa de enlace+ energa cintica

Pulso de attosegundode duracin

Energade enlace Electrn

Luz lser


determinadas velocidades de propagacin y, por ende, su energa solo puede tomar ciertos valores. Dichos niveles energticos se agrupan en bandas, las cuales dan cuenta de las propiedades electrnicas de un slido.

Al contrario que en los metales, las bandas de energa de los semiconductores y los aislantes se encuentran separadas por huecos. Ello significa que, entre los niveles de energa que pueden adoptar los electrones cuando sobre ellos no se ejerce ninguna influencia externa (la banda de valencia) y los niveles a los que una excitacin puede promocionarlos (la banda de conduccin) media una diferencia energtica. Por tanto, para que el material conduzca la electricidad, ser necesario inducir en l algn proceso que comunique a los electrones de valencia la energa suficiente para excitarlos a la banda de conduccin. La conductividad de un material depende del nmero de electrones presentes en dicha banda.

En los transistores de efecto de campo, lo que promociona los electrones a la banda de conduccin es una diferencia de potencial externa. La concentracin de portadores de carga en dicha banda puede controlarse por medio de la tensin aplicada y, con ella, activar o desactivar la capacidad de conduccin del transistor. La velocidad de conmutacin puede aumentarse de dos maneras: incrementando la pureza del material o reduciendo el tamao de las estructuras. El primer factor facilita el trans-porte de electrones, mientras que el segundo reduce el nme-ro de portadores de carga que es necesario excitar para alterar la conductividad. A lo largo de las ltimas dcadas, la mejora en los procedimientos para preparar cristales de alta pureza y componentes cada vez menores ha permitido obtener enormes velocidades de conmutacin. En condiciones de laboratorio, hoy resulta posible preparar estructuras de unos 10 nanmetros y al-canzar velocidades de hasta 100.000 millones de conmutaciones por segundo, lo que corresponde a un tiempo de conmutacin de unos 10.000 femtosegundos.

Incrementar an ms la velocidad mediante estos procedi-mientos se ha revelado problemtico por diferentes motivos. Seguir miniaturizando los dispositivos supone un desafo no solo por la complejidad del proceso de fabricacin, sino por-que, en estructuras que solo miden unos pocos nanmetros, las propiedades cunticas de los electrones se tornan an ms

manifiestas. Si los portadores de carga ven reducido de ma-nera considerable el espacio que tienen a su disposicin, los niveles de energa permitidos se separarn y las condiciones de movilidad de los electrones se modificarn. Los modelos de bandas simples, que tratan los portadores de carga de forma colectiva, ya no bastarn para describir el comportamiento del material. Y aunque desde un punto de vista cientfico resulte interesante disear estructuras tan diminutas y estudiar su alterado paisaje energtico, tcnicamente sera muy complicado emplearlas con fines prcticos. Todo ello podra acarrear el fin de la clebre ley de Moore, segn la cual el nmero de conmu-tadores contenidos en los circuitos integrados comerciales se duplica cada dos aos.

A lo anterior hemos de aadir que, en un semiconductor de tamao tan reducido, cuando se aplica un voltaje externo los electrones experimentan fuerzas cada vez mayores. Estas pueden llegar a ser equiparables a las de los enlaces entre los tomos del material, por lo que la muestra puede verse afectada de manera considerable. Incluso en el laboratorio, resulta muy difcil trabajar en tales condiciones sin destruir el material en el intento.

CONMUTACIN ULTRARRPIDATales restricciones marcaron el punto de partida para nuestros experimentos con lseres ultracortos. Concentrar la energa lu-minosa en intervalos extremadamente breves tiene una conse-cuencia fundamental: aunque el promedio temporal de la poten-cia radiada sea modesto, durante el pulso se alcanzan campos elctricos ms intensos que los obtenidos mediante cualquier otro procedimiento. Adems, resulta posible enfocar la luz sobre superficies muy reducidas. Para conseguir campos similares con tcnicas tradicionales, deberamos mantener el campo elctrico generado por una lnea de alta tensin entre dos electrodos sepa-rados pocos micrmetros. Por el momento, no se conoce ningn material capaz de resistir tales condiciones.

Con pulsos lser de femtosegundos de duracin, la situacin cambia. El campo asociado a dichos pulsos alcanza fcilmente valores prximos a los del ejemplo anterior. En un semicon-ductor de silicio, ello equivale a una diferencia de potencial de 5 voltios en una distancia de medio nanmetro, la separacin

MICROSCOPIO TEMPORAL: En el Instituto Max Planck de ptica Cuntica de Garching, los investigadores hacen pasar un gas noble por un pequeo tubo hasta el interior de una cmara sobre la que se disparan intensos pulsos lser (fotografa). Una vez excita-dos, los tomos del gas generan destellos de rayos X extremada-mente cortos, gracias a los cuales los fsicos pueden estudiar el movimiento de los electrones en tomos, molculas y slidos.

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tpica entre dos tomos vecinos del retculo. Un campo elctri-co esttico de semejante intensidad destruira de inmediato el material. Sin embargo, en el campo oscilante de nuestro pulso lser, el valor mximo se alcanza solo unas pocas veces y durante una fraccin de femtosegundo. Al ser tan breve, los materiales pueden tolerar campos incluso ms intensos.

Lo anterior se aplica, sobre todo, a materiales que no ab-sorben luz en la zona visible del espectro ni en el infrarrojo cercano. Entre ellos se encuentran el dixido de silicio (cuarzo), el diamante, el zafiro u otros cristales transparentes, aislantes y con una gran separacin entre las bandas de valencia y de con-duccin. Como consecuencia, excitar un electrn de la primera a la segunda requiere aplicar un campo elctrico muy intenso, correspondiente a una tensin de varios voltios entre dos tomos vecinos. Dicho efecto era el que buscbamos para lograr que un aislante llegase a conducir la electricidad.

Para nuestros experimentos elegimos el cuarzo. Empleamos la tcnica de bomba-sonda para estudiar los cambios en la es-tructura electrnica de una muestra delgada en el campo de un pulso lser ultracorto. Junto con el pulso lser, irradiamos el cristal con un destello de rayos X de menos de 100 attosegundos, en torno a una quincuagsima parte de la duracin del pulso lser. Medimos la intensidad con que el material absorba el pulso de rayos X en funcin del momento de irradiacin, el cual poda establecerse con una precisin de pocos attosegundos;

es decir, una pequea fraccin de la duracin del pulso. Cada seal nos brind as una fotografa instantnea del proceso, a partir de lo cual pudimos deducir la configuracin electrnica del cristal en diferentes instantes de la accin del pulso lser.

Comenzamos con pulsos lser cuyo campo elctrico tena una intensidad menor. La muestra se comport segn lo que caba esperar de un medio transparente: reflejaba una pequea fraccin de la luz visible del pulso de femtosegundos, mientras la mayor parte atravesaba el material sin mayores impedimentos. La luz de rayos X del pulso de attosegundos era absorbida en cierta medida. Representamos la seal de absorcin de rayos X y no hallamos ningn indicio de que las propiedades electrnicas del material se hubieran alterado por la accin del lser. De ser el caso, la luz visible habra promocionado los electrones a los niveles de la banda de conduccin y, una vez ocupados, estos no habran podido participar de las transiciones inducidas por los rayos X. Ello habra debilitado la absorcin de estos rayos, cosa que no observamos.

Despus incrementamos la intensidad del campo elctrico del lser hasta casi alcanzar el umbral de ruptura dielctrica, lo que habra destruido la muestra. Al final, medimos en la seal de absorcin de rayos X el efecto que esperbamos: a medida que el campo elctrico del lser alcanzaba su mximo, el cristal dejaba pasar ms radiacin X. Cuando analizamos la seal y la comparamos con los clculos cunticos, los resultados confir-

a s f u n c i o na

De aislante a conductorun pulso lser de femtosegundos de duracin (onda roja) incide sobre una muestra de cuarzo (centro, con marco oscuro). Mien-tras tanto, una sucesin de pulsos de pocos attosegundos (onda azul) permite obtener una serie de fotogramas que revelan la estructura electrnica del cristal.

para excitar los electrones desde la banda de valencia hasta la de conduccin, se requieren varios fotones simultneos (esquema, flechas rojas), ya que cada uno de ellos transporta solo una sexta parte de la energa necesaria para superar la separacin entre las

bandas. la concurrencia de varios fotones es posible gracias a la elevada intensidad del lser.

los rayos X del pulso lser de attosegundos (esquema, fle-cha azul) pueden excitar electrones desde una capa atmica ms interna hasta la banda de conduccin. si en esta ya hay portado-res de carga, dicho proceso se ver suprimido. de esta manera, el grado de absorcin de rayos X permite verificar si, debido al efecto del pulso lser de femtosegundos, la muestra se ha vuelto conductora o no.

Bandade conduccin

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maron nuestra interpretacin. Los estados energticos de los electrones se haban distribuido por un instante de otra manera.

Segn los clculos realizados por nuestros colaboradores de la Universidad estatal de Georgia en Atlanta, el intenso campo elctrico del pulso lser deba modificar el estado de la muestra durante una fraccin de femtosegundo, de modo que algunos electrones se encontrasen transitoriamente en la banda de con-duccin del material. Una situacin como esta, en la que un material se convierte en conductor, solo se haba observado en metales y semiconductores.

Tambin comprobamos que, una vez acabada la accin del pulso lser, la muestra volva a su estado no conductor. El cam-bio inducido por la luz poda activarse y desactivarse, pues, en menos de un femtosegundo. A este respecto, el comportamiento de un dielctrico difiere de manera fundamental del de un se-miconductor. En estos ltimos, los electrones permanecen en la banda de conduccin por un tiempo que resulta varias veces mayor que la duracin del pulso de excitacin; solo despus vuelven de forma espontnea a la banda de valencia. Dicho intervalo es del orden del nanosegundo, por lo que este mtodo no podra aplicarse a la construccin de conmutadores ultrarr-pidos. Aunque un pulso lser s puede activar un componente semiconductor en pocos femtosegundos, sigue siendo necesario esperar un tiempo mucho mayor hasta que el sistema regresa al estado no conductor.

La attofsica permite observar el movimiento de los electro-nes en tomos, molculas y slidos, y su dinmica puede con-

trolarse por medio del campo elctrico de pulsos luminosos en los que la onda solo completa unas pocas oscilaciones. El hecho de que dichos pulsos puedan alterar durante unos pocos fem-tosegundos las propiedades elctricas y pticas de un material no conductor tal vez allane el camino para acelerar de manera considerable las tcnicas de procesamiento de seal.

Los circuitos lgicos controlados mediante pulsos de luz podran revolucionar la velocidad de clculo. Si bien ello no supondra un cambio de paradigma conceptual, como el que intenta conseguir la computacin cuntica, tendra la ventaja de que podra desarrollarse sobre tecnologa y protocolos probados. En este sentido, la attofsica nos ha enseado que el lmite en la velocidad de conmutacin de los componentes electrnicos viene dado por la frecuencia de la luz: una velocidad incomparable-mente mayor que la de los mejores microprocesadores actuales.

Spektrum der Wissenschaft

Optical-field-induced current in dielectrics. A. Schiffrin et al. en Nature, vol. 493, pgs. 70-74, 2013.

Controlling dielectrics with the electric field of light. M. Schultze et al. en Nature, vol. 493, pgs. 75-78, 2013.

Attosecond metrology: From electron capture to future signal processing. F. Krausz y M. Stockman en Nature Photonics, vol. 8, pgs. 205-213, 2014.

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