Átomos en el vals de la espiral: un nuevo semiconductor acerca la era de pantallas ultrabrillantes

Un equipo de la Universidad de Cambridge y la Universidad Tecnológica de Eindhoven ha resuelto una cuestión científica que durante décadas permanecía sin respuesta. Los científicos han desarrollado un semiconductor que obliga a los electrones a moverse en espiral, de forma parecida a cómo se enrosca la rosca de un tornillo. Esta propiedad podría cambiar radicalmente el mundo de la electrónica moderna.

La característica principal del nuevo material es su capacidad para emitir luz con polarización circular. Esto significa que los fotones llevan información sobre la llamada «quiralidad» de los electrones —la dirección de giro a derecha o izquierda—. En comparación, los semiconductores inorgánicos tradicionales, como el silicio, presentan una estructura interna simétrica. En ellos, los electrones se desplazan de manera caótica, sin una orientación preferente.

La quiralidad (del término griego «kheir» —mano—) está muy extendida en la naturaleza. Las moléculas con estructura quiral se asemejan a la mano izquierda y derecha de una persona: son imágenes especulares la una de la otra, pero no pueden superponerse. Este fenómeno desempeña un papel clave en la formación del ADN y en otros procesos biológicos. Sin embargo, hasta ahora, los científicos no habían logrado aplicarlo y controlarlo eficazmente en dispositivos electrónicos.

Inspirados en procesos naturales, los investigadores idearon cómo lograr que las moléculas del semiconductor se ordenen en columnas helicoidales —dextrógiras o levógiras—.

La tecnología de pantallas es una de las áreas de aplicación más prometedoras para los semiconductores quirales. Las pantallas de los dispositivos actuales pierden mucha energía debido a las peculiaridades de la filtración de la luz. Cuando la luz atraviesa filtros de polarización en pantallas LCD, aproximadamente la mitad de su intensidad se bloquea. El nuevo semiconductor emite de manera natural la luz con la polarización requerida, lo que puede reducir considerablemente las pérdidas de energía. Como resultado, las pantallas de los dispositivos serán más brillantes y consumirán menos electricidad.

La base de este desarrollo es un compuesto llamado triazatruxeno (TAT), que exhibe propiedades sumamente inusuales: las moléculas que lo componen forman espontáneamente estructuras helicoidales, similares a diminutas escaleras de caracol. A lo largo de estas «escaleras» se desplazan los electrones, generando un efecto físico único. Bajo la influencia de radiación azul o ultravioleta, la estructura molecular pasa a un estado excitado. Al regresar a sus parámetros iniciales, el material emite una intensa luz verde con una marcada polarización circular —las ondas de luz se retuercen a lo largo de la trayectoria de propagación—. Gracias a esta arquitectura a nivel molecular, el TAT permite controlar no solo el movimiento de las partículas cargadas, sino también sus características de espín.

Los científicos modificaron los métodos estándar de fabricación de pantallas OLED e incorporaron con éxito el TAT en diodos orgánicos emisores de luz con polarización circular (CP-OLED) funcionales. Estos dispositivos mostraron resultados sin precedentes en eficiencia, brillo y grado de polarización de la luz, superando a todos los análogos existentes.

En esencia, el equipo replanteó la tecnología de creación de pantallas OLED, que hoy se utiliza en todos los teléfonos inteligentes, al lograr encapsular la estructura quiral en una matriz estable, no propensa a la cristalización.

Los semiconductores quirales marcan una nueva etapa en el desarrollo de la electrónica orgánica, un mercado que actualmente supera los 60 mil millones de dólares. Estos permitirán reducir significativamente el consumo de energía de las pantallas, haciendo que los dispositivos sean más ecológicos y eficientes. Además, la naturaleza orgánica de estos materiales facilita tanto su producción como su reciclaje.

Por otra parte, además de las pantallas, este avance abre nuevas fronteras para la computación cuántica y la espintrónica, el campo que estudia no solo la carga del electrón, sino también su espín, una especie de giro de la partícula sobre su propio eje. Al manipular los estados de espín, los ingenieros podrán crear sistemas de procesamiento de información más rápidos y seguros.