Una fábrica de nanoestructuras cuanticás

Los discos compactos, los CDROM o las impresoras láser existen gracias a que en las últimas décadas los físicos han aprendido a fabricar nuevos materiales semiconductores a base de multicapas finísimas, a veces de unos pocos átomos de grosor, que crecen unas sobre otras. Nada fácil, porque las capas tienen una tendencia de lo más molesta a arrugarse y formar verdaderas montañas o islas de hasta un millar de átomos.Pero hace unos años alguien pensó que estos mismos grumos que salían sin querer podrían tener aplicaciones valiosísimas, siempre que se encontrara la forma de construirlos a medida. Investigadores del Centro Nacional de Microelectrónica (CNM) tratan de hacerlo. Por lo pronto, ya saben cómo hacer para que un grumo o, más técnicamente, un punto cuántico se convierta en algo más alargado, que han bautizado como barra cuántica.

Ni los puntos ni las barras, a las que en familia los investigadores llaman "salchichas" se ven a simple vista. El diámetro de los puntos no supera las decenas de nanometros y su altura está entre los tres y los seis nanometros un nanometro es un millón de veces más pequeño que un milímetro; en un centímetro cuadrado caben decenas de miles de millones de puntos cuánticos.

Ambas estructuras están hechas del compuesto antimoniuro de indio y han crecido sobre una oblea, de unos cinco milímetros de lado, de fosfuro de indio. "Hace apenas cinco años, estos defectos que aparecen en las capas hubieran sido una molestia. Queríamos hacer capas muy finas y homogéneas. Ahora, en cambio, estas nanoestructuras se intentan construir aposta. Hay un boom de grupos europeos, estadounidenses y japoneses que se dedican a ellas, a entender de qué parámetros depende su formación", dice Juan Pedro Silveira, del CNM.

Evaporación sobre oblea

En este centro las fabrican con. un equipo de epitaxia de haces moleculares, que consiste muy básicamente en una cámara de ultraalto vacío que contiene varias células -como celdillas- con los materiales a depositar. En la cámara se introduce la oblea, que sirve de sustrato base, y en las células laterales se almacenan los elementos que formarán las capas siguientes (como arsénico, fósforo, antimonio, galio, indio o aluminio); abriendo la compuerta de las cápsulas, y a las condiciones adecuadas de temperatura, estos elementos se evaporarán y se depositarán sobre el sustrato base. Las capas crecen aproximadamente a razón de una capa atómica por segundo.

"Las irregularidades se forman porque los átomos tienden a depositarse siguiendo la estructura cristalina de la base pero son, al fin y al cabo, átomos distintos a los que componen la base, y es como si no se sintieran cómodos colocándose de esa forma. Entonces entre ellos se producen tensiones que se van acumulando. Es lo que hace que se agrupen", explica Silveira. Pero falta saber más exactamente por qué se distribuyen aleatoriamente sobre el sustrato en vez de crecer a distancias regulares entre sí.

En este caso, los investigadores analizaron las muestras en un microscopio de fuerzas atómicas -capaz de distinguir los átomos- y descubrieron que el diámetro, la altura y el número de los puntos que se forman varía según el número de capas depositadas. "El número máximo de puntos se alcanza a las 2,2 capas atómicas. Si seguimos depositando, los puntos se vuelven más grandes, pero no más numerosos", dice el autor principal del trabajo, Thomas Utzmeier.

Y cuando observaron las muestras en las que se habían depositado aún más capas los investigadores se llevaron una sorpresa: "Por encima de las 3,2 capas vimos que la geometría de los puntos cambiaba drásticamente. Perdían su forma redondeada y se volvían más alargados; dan lugar a las barras cuánticas de distintos tamaños y grosores que se alinean más o menos en la misma dirección, aunque no de modo muy exacto", afirma este especialista, que no tiene aún ninguna hipótesis que explique perfectamente el fenómeno.

El interés de conocer el patrón de comportamiento de estas nanoestructuras es enorme y, curiosamente, esto es -en parte porque muchas de las aplicaciones que podrían derivarse de ello no son siquiera predecibles "Pensamos en algunas posibilidades, pero es que trabajando a escala de decenas de nanometros las leyes que funcionan son las de la mecánica cuántica, y empiezan a aparecer efectos cuánticos que confieren a los materiales propiedades nuevas que ni siquiera po demos prever todavía", dice Silveira.