Electrones y fotones en Nanolandia

El premio Nobel de Física del año 2000 se ha concedido a tres investigadores (Alferov, Kroemer y Kilby) por sus contribuciones a uno de los campos más activos de esta rama de la ciencia: la Física de Semiconductores. Han sido galardonados por sus trabajos que cubren desde aplicaciones tecnológicas hasta aspectos fundamentales, tanto experimentales como teóricos. Este premio Nobel es un ejemplo más de como la investigación básica es crucial para el desarrollo tecnológico de la sociedad.Hasta principio de los años 50, las radios funcionaban con válvulas. La electrónica moderna nace con el invento del transistor, caracterizado por su bajo consumo, fiabilidad, larga duración y menor producción de calor. En esa década, la industria desarrolló circuitos cada vez más complejos que contenían transistores, diodos, rectificadores, etcétera. Sin embargo, todavía quedaba el problema de la interconexión entre estos elementos. Aquí es donde Jack Kilby interviene diseñando un circuito integrado, con las interconexiones incluidas en el propio sistema. El 12 de septiembre de 1958 presentó el primer circuito, que integraba todos los componentes, y que era más pequeño que un clip. Las posteriores reducciones de tamaño de los circuitos integrados han permitido el desarrollo de la microelectrónica que facilita nuestra vida cotidiana llena de ordenadores, radio, televisión, teléfonos y demás.

Toda este desarrollo se basó fundamentalmente en la utilización de un único material semiconductor: el silicio. El silicio, sin embargo, tiene sus limitaciones, en particular su escasa capacidad de emitir o absorber luz. Este problema se solventó con el empleo de uniones de diferentes semiconductores (por ejemplo, arseniuro de galio/arseniuro de galio y aluminio). La contribución primordial del bielorruso Alferov y del americano Kroemer consistió en la propuesta de las doble uniones, creando nuevos caminos para el desarrollo de los láseres de semiconductores. Esa fue la idea básica que abrió la puerta al mundo de la optoelectrónica, omnipresente en nuestra sociedad a través de los lectores ópticos de los supermercados, los discos compactos, los medios masivos de almacenamiento de información, etcétera, etcétera.

Todos estos pasos han conducido a la fabricación de uniones semiconductoras con un alto grado de complejidad y a la realización de nano-estructuras (con tamaños del orden de una mil millonésima de metro): pozos, hilos y puntos cuánticos. Estos últimos son auténticos átomos artificiales de diseño que permiten la obtención de nuevos láseres y diodos de alta potencia y bajo consumo, con los que es posible elegir el color de la luz emitida, y que de nuevo supondrán una revolución ecológica por su ahorro energético.

La próxima frontera a nuestro alcance es el manejo de la última característica cuántica del electrón: su espín. Las uniones de semiconductores magnéticos son la base del nuevo mundo de la espintrónica y la información cuántica. Las aportaciones de los recién galardonados han sido esenciales en este largo camino.

Carlos Tejedor, Luis Viña y Félix Yndurain son profesores de la Universidad Autónoma de Madrid.