Un pulso láser incide sobre una película delgada de MoS₂ y, en su interior, hierve una nube de electrones con exceso de energía. Estos portadores calientes se parecen a corredores que han arrancado a gran velocidad, pero que en el camino hacia la meta tendrán que perder todo su impulso debido a las colisiones con la red cristalina. La pregunta que atormentaba a los ingenieros es sencilla: ¿se puede sacar a esos corredores del material antes de que se enfríen? Los investigadores de Nankín dieron una respuesta inesperada: aquí la velocidad no la marca el propio corredor, sino la rapidez con que la red le arrebata la energía.
La clave del enigma está en la estructura del cristal. En el MoS₂, los átomos de molibdeno pesan el doble que los de azufre, y esa diferencia de masas genera una zona prohibida de alrededor de 1 THz en el espectro de vibraciones de la red. Los fonones ópticos, es decir, las vibraciones de alta frecuencia, no pueden descomponerse rápidamente en acústicos, de baja frecuencia. La energía se atasca en un estrechamiento, como una multitud a la salida de un estadio: todos quieren pasar, pero solo hay una puerta. Eso es el cuello de botella de fonones. Mientras los fonones se amontonan en la salida, no pueden quitarles energía a los electrones, y estos permanecen calientes durante más tiempo.
Los resultados fueron elocuentes. El tiempo de relajación de la fotocorriente fue de 48,5 picosegundos para el MoS₂ y de solo 14,2 picosegundos para el MoSe₂. Cuando el punto de bombeo se desplazaba varios micrómetros desde el contacto, el tiempo de respuesta apenas cambiaba, aunque la señal en sí se atenuaba de forma exponencial. La tensión aplicada tampoco aceleraba ni frenaba la componente rápida de la respuesta. Todo esto significa que los portadores no derivan bajo la acción del campo, sino que se propagan gracias al gradiente de temperatura electrónica, como el agua que se extiende por una sartén caliente. A ese movimiento se le llama superdifusión.
La comparación más importante se hizo con las mediciones ópticas. El tiempo de extracción eléctrica coincidió cuantitativamente con el tiempo de dispersión de los fonones ópticos en acústicos para todos los espesores de MoS₂ estudiados: 5, 13 y 30 nanómetros. En el MoSe₂, donde las masas de los átomos de molibdeno y selenio difieren menos, el cuello de botella es más ancho, los fonones se descomponen más rápido y la respuesta es más corta. Es una prueba experimental directa: la velocidad del dispositivo no la determina la movilidad de los portadores, sino el tiempo de vida de los fonones calientes.
El descubrimiento nos devuelve a la imagen de los corredores. Antes parecía que lo importante era su propia velocidad, es decir, la movilidad de los electrones. Ahora se ve que recorren la distancia más rápido si en el camino hay los obstáculos adecuados que les impiden enfriarse. Los ingenieros ya pueden hoy elegir materiales con la diferencia de masas atómicas necesaria para ajustar este efecto. Los fotodetectores ultrarrápidos autoalimentados y las interconexiones ópticas basadas en materiales bidimensionales están cada vez más cerca de la realidad.
En el MoS₂, los átomos de molibdeno son dos veces más pesados que los de azufre, lo que crea una brecha prohibida en el espectro de fonones en torno a 1 THz. Por eso los fonones ópticos no pueden desintegrarse rápidamente en acústicos, y los portadores calientes permanecen energéticos durante más tiempo.
La idea de controlar las propiedades de un material a través de las vibraciones de la red resuena con el concepto de «computadoras de fonones» de la ciencia ficción, donde la información se transporta mediante ondas térmicas en lugar de electrones.