Un equipo de científicos de la Universidad de Arizona ha desarrollado un transistor que opera a una frecuencia sin precedentes: el rango de los petahercios (10¹⁵ Hz). Este avance, liderado por el profesor Mohammed Hassan y publicado recientemente en Nature, redefine los límites conocidos de la electrónica moderna, abriendo la puerta a una electrónica óptica ultrarrápida. A diferencia de los transistores convencionales, que funcionan manipulando electrones mediante señales eléctricas, este nuevo enfoque emplea pulsos de luz para excitar y controlar las corrientes electrónicas en un material. El resultado es un dispositivo capaz de funcionar un millón de veces más rápido que los chips actuales más avanzados, que operan en el rango de gigahercios.

Este transistor óptico ultrarrápido emplea láseres de attosegundos (10⁻¹⁸ s) para manipular electrones a una escala temporal y energética que antes solo se había explorado teóricamente. La clave del avance reside en el uso del diseleniuro de tungsteno (WSe₂), un semiconductor bidimensional perteneciente a la familia de los dicalcogenuros de metales de transición (TMDs), cuya estructura atómica permite una respuesta óptica ultrarrápida sin pérdida significativa de portadores de carga.

Este hito no solo podría redefinir los límites de la velocidad computacional, sino que también sienta las bases para una nueva generación de dispositivos híbridos entre la electrónica y la fotónica. El futuro del procesamiento de datos, la inteligencia artificial y las telecomunicaciones podría transformarse radicalmente con este tipo de tecnologías.

De los gigahercios a los petahercios: salto cuántico en velocidad

Hasta ahora, los transistores más avanzados del mundo, incluidos los empleados en procesadores de 3 nm por parte de empresas como TSMC o Intel, operan en rangos de frecuencia del orden de los gigahercios (1 GHz = 10⁹ Hz). Algunos avances experimentales han alcanzado frecuencias de terahercios (10¹² Hz), pero con importantes limitaciones térmicas, de eficiencia o de fiabilidad. La barrera del petahercio (10¹⁵ Hz) parecía, hasta ahora, un límite inalcanzable.

El equipo de investigación de la Universidad de Arizona ha logrado superar esta frontera mediante la manipulación de electrones con pulsos ópticos de duración attosegundo. Esto significa que las señales se propagan y procesan en una escala de tiempo comparable al movimiento interno de los electrones en los átomos. A estos niveles, la dinámica cuántica de los electrones comienza a dominar el comportamiento del material, permitiendo una conmutación casi instantánea entre estados «on» y «off».

Desde un punto de vista técnico, este nuevo transistor óptico se comporta como un interruptor ultrarrápido que se activa mediante la oscilación del campo eléctrico de la luz. Concretamente, el diseleniuro de tungsteno muestra una respuesta no lineal ante pulsos láser polarizados, generando una corriente electrónica transitoria que puede ser leída y controlada con alta fidelidad.

El papel del diseleniuro de tungsteno (WSe₂) en la conmutación óptica

El material escogido para fabricar el transistor es clave para comprender la magnitud del logro. El diseleniuro de tungsteno es un material bidimensional similar al grafeno, pero con propiedades semiconductoras que lo hacen más adecuado para aplicaciones electrónicas. Tiene un espesor atómico de una sola capa, estructura en forma de panal y presenta una fuerte interacción con la luz, además de una movilidad electrónica razonable para su uso en dispositivos optoelectrónicos.

Lo que distingue al WSe₂ es su capacidad para soportar procesos de generación y recombinación de portadores de carga en escalas de tiempo inferiores a los 100 femtosegundos. En el estudio, se aplicaron pulsos láser de menos de 10 femtosegundos para inducir un flujo de electrones, que a su vez fue detectado usando técnicas de fotoemisión ultrarrápida. La señal generada fue clara y reproducible, demostrando la viabilidad del dispositivo como interruptor lógico a velocidades jamás alcanzadas.

Desde el punto de vista práctico, la implementación de estos materiales en chips requerirá superar desafíos relacionados con el escalado, la integración con tecnologías CMOS convencionales y el control térmico. Sin embargo, la eficiencia energética es teóricamente superior, ya que la excitación óptica permite evitar muchos de los mecanismos de pérdida por resistencia presentes en la electrónica tradicional.

¿Qué implicaciones tiene un transistor óptico de petahercios?

Los efectos de este avance pueden proyectarse en varios niveles:

• Procesamiento de datos: Un aumento de mil veces en la velocidad de los transistores permitiría realizar operaciones computacionales en escalas temporales sin precedentes. Esto podría beneficiar campos como la inteligencia artificial, el modelado cuántico y la simulación de sistemas complejos.

• Reducción del consumo energético: Aunque aún queda mucho por investigar, un procesamiento más veloz permite reducir el tiempo de cómputo por tarea. Si se logra optimizar la eficiencia energética por operación, el ahorro total podría ser significativo en centros de datos y dispositivos móviles.

• Nuevos paradigmas computacionales: Esta tecnología se acerca a lo que se denomina «electronics at the speed of light», abriendo el camino a arquitecturas híbridas donde la luz sustituye al electrón como portador de información.

Limitaciones y próximos pasos

Aunque el experimento de la Universidad de Arizona ha demostrado la viabilidad de un transistor óptico operando en petahercios, todavía se encuentra en una fase inicial. La implementación práctica requerirá el desarrollo de fuentes láser compactas y eficientes capaces de integrarse en chips comerciales. Además, el control preciso de los pulsos de attosegundo a escala industrial es un reto formidable.

Otro aspecto crítico será la sincronización de múltiples unidades de procesamiento óptico. La gestión de interferencias, el diseño de interconexiones fotónicas y la minimización de pérdidas ópticas en guías de onda de escala nanométrica son campos que deberán avanzar en paralelo para que este tipo de tecnología pueda consolidarse.

También será necesario revisar los métodos de fabricación de TMDs como el WSe₂. A día de hoy, la mayoría de estos materiales se obtienen mediante exfoliación mecánica o síntesis por deposición química en fase de vapor (CVD), procesos que son difíciles de escalar. No obstante, varias líneas de investigación en nanofabricación ya están avanzando hacia la producción masiva de estructuras 2D.

Reflexiones finales: más allá de la velocidad

Este avance no implica únicamente una mejora cuantitativa en términos de velocidad. Nos sitúa ante un nuevo modelo de computación donde los límites de la física clásica empiezan a diluirse, y donde conceptos como la electrónica de estado sólido ceden terreno a fenómenos cuántico-ópticos.

El transistor óptico de petahercios aún no está listo para ser incorporado en dispositivos comerciales, pero establece una hoja de ruta clara para el futuro de la informática de alta velocidad. Es probable que en la próxima década veamos versiones híbridas que combinen elementos ópticos y electrónicos para maximizar velocidad y eficiencia.

La colaboración entre físicos cuánticos, ingenieros electrónicos y especialistas en materiales será fundamental para llevar estos descubrimientos del laboratorio a la industria. El reto ya no es solo hacer las cosas más rápidas, sino hacerlo con materiales sostenibles, integrables y eficientes a gran escala.