Avances de la NanoelectrónicaJuan Carlos MoralesUniversidad TELESUP

NanoelectrónicaLa nanoelectrónica se refiere al uso de la nanotecnología en componentes electrónicos, especialmente en transistores. Aunque el término nanotecnología se usa normalmente para definir la tecnología de menos de 100 nm de tamaño, la nanoelectrónica se refiere, a menudo, a transistores de tamaño tan reducido que se necesita un estudio más exhaustivo de las interacciones interatómicas y de las propiedades mecánico-cuánticas. Es por ello que transistores actuales (como por ejemplo CMOS90 de TSMC o los procesadores Pentium 4 de Intel), no son listados en esta categoría, a pesar de contar con un tamaño menor que 90 o 65 nm.A los dispositivos nanoelectrónicos se les considera una tecnología disruptiva ya que los ejemplos actuales son sustancialmente diferentes que los transistores tradicionales. Entre ellos, cabe destacar la electrónica de semiconductores de moléculas híbridas, nanotubos / nanohilos de una dimensión o la electrónica molecular avanzada.El sub-voltaje y la nanoelectrónica de sub-voltaje profundo son campos específicos e importantes de I+D, y la aparición de nuevos circuitos integrados operando a un nivel de consumo energético por procesamiento de un bit próximo al teórico (fundamental, tecnológico, diseño metodológico, arquitectónico, algorítmico) es inevitable. Una aplicación de importancia que pueda beneficiarse finalmente de esta tecnología, en lo referente a operaciones lógicas, es la computación reversible

Definición La nanotecnología comprende el estudio, diseño, creación, síntesis, manipulación y aplicación de materiales, aparatos y sistemas funcionales a través del control de la materia a nanoescala, y la explotación de fenómenos y propiedades de la materia a nanoescala.

Cuando se manipula la materia a escala tan minúscula, presenta fenómenos y propiedades totalmente nuevas. Por lo tanto, los científicos utilizan la nanotecnología para crear materiales, aparatos y sistemas novedosos y poco costosos con propiedades únicas.

Año 2012

Muchos trabajos con el uso de la nanotecnología se realizaron en este 2012, donde a continuación resalto algunos muy importantes.

Llega el vendaje nanotecnológico que avisa de una infecciónUn innovador vendaje que incorpora elementos bionanotecnológicos es capaz de vigilar la evolución de una herida y emprender por su cuenta algunas acciones.

En condiciones normales, este singular vendaje se limita a monitorizar la herida o quemadura, a fin de detectar la proliferación indeseada de bacterias.

Si surge una infección, el vendaje libera automáticamente un agente antimicrobiano.

Si esta operación no puede detener la infección, entonces el vendaje cambia su color para alertar al paciente o al personal sanitario.

Cuando esté plenamente operativo y aprobado para su uso médico, este vendaje ayudará a combatir las infecciones en heridas y quemaduras, gracias a su actuación inmediata cuando surja una, y también a su señal de alerta temprana cuando no consiga controlarla.

El problema de la infección de heridas, especialmente con la evolución de bacterias resistentes a los antibióticos, como la Staphylococcus aureus resistente a la meticilina (MRSA, por sus siglas en inglés), es bien conocido por mucha gente, pero no así el hecho de que las infecciones de heridas son la causa específica de muerte de la mitad de todas las personas que fallecen a consecuencia de quemaduras térmicas.

La tecnología que el equipo del Dr. Toby Jenkins, director del Grupo de Investigación de Química Biofísica en la Universidad de Bath, Reino Unido, está desarrollando, va orientada sobre todo a tratar quemaduras en niños pequeños.

• Este prometedor proyecto actualmente se está llevando a cabo en cinco países europeos, y recientemente el Dr. Jenkins hizo públicas, durante una conferencia celebrada en la Universidad de Leicester, Reino Unido, diversas cuestiones sobre el progreso de la labor de investigación y desarrollo.

Inesperado incremento de voltaje al agrupar nanocables en configuraciones específicasEn experimentos recientes, se ha observado que aparecen aumentos inesperados de voltaje de hasta un 25 por ciento en dos nanocables posicionados uno muy cerca del otro.

Los diseñadores que ahora trabajan en el desarrollo de la nueva generación de dispositivos electrónicos como teléfonos, PDAs, baterías y hasta paneles solares de ciertas clases, deberán tener en cuenta la aparición potencial de este fenómeno en aquellos de sus dispositivos que utilicen nanocables en la alimentación eléctrica, y diseñarlos para evitar que sufran problemas derivados de tal fenómeno.

Se lleva trabajando desde hace ya dos décadas en nanocables. Y, tal como advierte Mike Lilly de los Laboratorios Nacionales de Sandia en Estados Unidos, la mayor parte de las observaciones se han hecho sobre cables individuales o sobre grandes conjuntos.

Sin embargo, la integración de nanocables en circuitos implica colocarlos de una manera distinta a esas dos modalidades. Por tanto, es necesario estudiar cómo se comportan los nanocables agrupados del modo que será el típico de muchos circuitos.

En los nuevos experimentos, se trabajó con nanocables separados verticalmente por sólo 15 nanómetros, aproximadamente la distancia que se espera sea la requerida en los dispositivos de la próxima generación.

Los nanocables, por ser tan estrechos, limitan el flujo de los electrones mucho más de lo que lo hacen los cables convencionales, hasta el punto de que la corriente eléctrica circula de un modo distinto a como lo haría en un cable de grosor cotidiano. Esta característica de la nanoelectrónica, a su vez, magnifica un efecto que en la microelectrónica es tan débil que resulta irrelevante. Descrito de manera sencilla, este efecto, cuando opera a distancias manométricas, hace que los electrones en un cable puedan "sentir" a los electrones individuales que se mueven en otro lugar cercano, y eso lleva a las citadas alteraciones de voltaje.

Logran cambiar de modo espectacular la fase de la luz mediante nanoantenasSe ha demostrado que ciertos conjuntos de diminutas nanoantenas plasmónicas pueden manipular la luz con alta precisión y de maneras, hasta ahora inasumibles, que podrían hacer factibles muchas clases de innovaciones ópticas, como por ejemplo microscopios con mayor poder escrutador, telecomunicaciones más eficaces, y ordenadores más potentes.

Los investigadores que han logrado este hito se han valido de nanoantenas para cambiar de modo abrupto una propiedad de la luz: La fase. La luz es transmitida como ondas, no muy diferentes en concepto a las olas. Una ola tiene puntos altos y bajos. La fase define estos puntos altos y bajos en la luz.

El nuevo trabajo, a cargo del equipo de Vladimir Shalaev, director científico de nanofotónica en el Centro Birck de Nanotecnología de la Universidad Purdue, en Estados Unidos, amplía los resultados obtenidos por un grupo de investigadores dirigido por el físico Federico Capasso de la Universidad de Harvard. En ese trabajo, el equipo de Capasso modificó la ley de Snell, una fórmula aceptada desde hace mucho tiempo y que describe cómo la luz se refleja y refracta, o se curva, mientras pasa de un material a otro. Hasta ahora, de la ley de Snell se deducía que cuando la luz pasa de un material a otro no se produce ningún cambio de fase abrupto a lo largo de la superficie de contacto entre los materiales.

• Sin embargo, el mencionado equipo de investigadores de la Universidad de Harvard realizó experimentos dirigidos a demostrar que la fase de la luz y la dirección de su propagación pueden cambiar de un modo espectacular mediante el uso de estructuras de un nuevo tipo, concretamente metamateriales que en este caso están basados en un conjunto de nanoantenas dispuestas en una configuración especial.

El equipo de la Universidad Purdue ha llevado el trabajo un paso más allá, creando conjuntos de nanoantenas y cambiando la fase y la dirección de la propagación de la luz en una franja amplia de la banda del infrarrojo cercano.

En este nuevo trabajo también han participado Xingjie Ni, Naresh K. Emani, Alexander V. Kildishev, y Alexandra Boltasseva.

Crean un cable de 4 átomos de ancho y 1 de altoLa miniaturización de los cables eléctricos ha alcanzado una cota que hasta hace no muchos años era exclusiva de la ciencia-ficción. En un nuevo y asombroso avance, se ha conseguido crear un cable tan delgado que hay que medirlo por átomos: mide 4 átomos de ancho y 1 de alto. Se trata del cable con silicio más minúsculo fabricado hasta la fecha. Y es 20 veces más delgado que los cables de cobre más pequeños disponibles ahora en los microprocesadores.

El cable ha sido fabricado mediante la estrategia de ubicar con la debida precisión cadenas de átomos de fósforo dentro de un cristal de silicio.

Se ha demostrado que este singular cable tiene la misma capacidad de conducir la corriente eléctrica que los cables de cobre. A pesar de su diámetro increíblemente diminuto (10.000 veces más fino que un cabello humano), los cables de esta clase tienen propiedades eléctricas excepcionalmente buenas, lo que hace suponer que servirán para conectar componentes de tamaño atómico en las computadoras cuánticas del mañana.

La hazaña tecnológica es obra de un equipo encabezado por investigadores de la Universidad de Nueva Gales del Sur, la de Melbourne, y la de Purdue, las dos primeras en Australia y la tercera en Estados Unidos.

El desarrollo de este cable podría proporcionar a los ingenieros electrónicos una hoja de ruta para el desarrollo definitivo de los primeros dispositivos computacionales de dimensiones nanométricas, cuyos tamaños estarían al final de lo determinado por la Ley de Moore. La teoría muestra que una sola fila densa de átomos de fósforo insertados en silicio marcará el límite definitivo de la miniaturización en la electrónica.

Para el ámbito de la física, el desarrollo de este cable y su comportamiento demuestran que la Ley de Ohm, que establece la relación entre la corriente eléctrica, la resistencia y el voltaje, sigue siendo válida en tamaños progresivamente más pequeños hasta incluir también un cable de dimensiones atómicas.

En el desarrollo del cable han trabajado, entre otros, Michelle Simmons (directora del Centro de Excelencia para la Computación Cuántica de la Universidad de Nueva Gales del Sur), Bent Weber (de la misma universidad), Gerhard Klimeck (profesor en la Universidad Purdue y director de la Red para la Nanotecnología Computacional), y Hoon Ryu (ahora en el Centro de Supercomputación del Instituto Coreano de Ciencia y Tecnología).

La unidad de almacenamiento magnético de datos más pequeña del mundo

Se ha conseguido construir la unidad de almacenamiento magnético de datos más pequeña del mundo. Usa sólo 12 átomos por bit, la unidad básica de la información digital, y almacena un byte completo (de 8 bits) dentro de una cantidad ínfima de materia: tan sólo 96 átomos. En comparación, una unidad de disco duro moderna necesita más de 500 millones de átomos por byte.

La proeza tecnológica es obra de un equipo de científicos de IBM y el Centro Alemán para la Ciencia del Láser de Electrones Libres (CFEL)

Esta singular unidad de almacenamiento de datos se construyó átomo por átomo con la ayuda de un microscopio de Efecto Túnel en el Centro de Investigación de Almaden de IBM, en San José, California.

El equipo de Sebastian Loth del CFEL y Andreas Heinrich de IBM construyó los patrones regulares de átomos de hierro, alineándolos en filas de seis átomos cada una. Dos filas son suficientes para almacenar un bit. Un byte, a su vez, consta de ocho pares de filas de átomos. Usa sólo un área de 4 por 16 nanómetros. Esto corresponde a una densidad de almacenamiento que es cien veces superior a la de una unidad de disco duro moderna.

Los datos son escritos y leídos en la unidad nanométrica de almacenamiento con la ayuda de un microscopio de Efecto Túnel. Los pares de filas de átomos tienen dos posibles estados magnéticos, representando los dos valores, 0 y 1, de un bit clásico. Un pulso eléctrico de la punta del microscopio de Efecto Túnel invierte la configuración magnética. Un pulso más débil permite leer la configuración, aunque actualmente el "cabezal" de lectura sólo es estable a una temperatura muy fría: 268 grados centígrados bajo cero.

La antena emisora y la receptora más pequeñas del mundoUnos científicos han usado dos moléculas como antenas y han conseguido transmitir señales en forma de fotones individuales, desde una a la otra.

Una conexión de radio establecida mediante fotones individuales sería ideal para diversas aplicaciones de comunicación cuántica, como por ejemplo en la criptografía cuántica o en una computadora cuántica.

Las partículas individuales de luz son el medio elegido para transmitir bits cuánticos. En el futuro, estas unidades de información cuántica podrían sustituir en muchas aplicaciones a los bits convencionales si la computación cuántica logra despegar.

En los experimentos realizados en el Instituto Federal Suizo de Tecnología, en Zúrich, el equipo de Vahid Sandoghdar, director del Departamento de Nanoóptica en el Instituto Max Planck para la Ciencia de la Luz en Alemania, y Stephan Goetzinger, profesor en la Universidad de Erlangen, Alemania, usó como antenas dos moléculas del compuesto conocido como DBATT (por las siglas del inglés "dibenzanthanthrene").

Puesto que un fotón solo no acostumbra a interactuar mucho con una molécula, los físicos tuvieron que usar ciertos "trucos" en sus experimentos, a fin de conseguir que la molécula receptora registrara la señal luminosa. Se valieron de dos capas dopadas con moléculas de tinte, separadas por varios metros y conectadas por un cable de fibra óptica. Y se trabajó con muestras enfriadas hasta 272 grados centígrados bajo cero, es decir, casi hasta el Cero Absoluto (aproximadamente 273,15 grados centígrados bajo cero).

El resultado ha sido la transmisión de fotones individuales entre las dos antenas más pequeñas del mundo.

Transformador eléctrico de tamaño nanométricoSe ha logrado ensamblar capas atómicas individuales unas sobre otras en la sucesión deseada, de tal modo que la estructura nanométrica resultante funciona como un transformador eléctrico.

El equipo de Leonid Ponomarenko y Andre Geim (galardonado con un Premio Nobel), en la Universidad de Manchester en el Reino Unido, usó cristales individuales de un átomo de espesor para construir la estructura multicapa.

Los científicos usaron el grafeno como un plano conductor de un átomo de espesor, mientras que bastaron cuatro capas atómicas de nitruro de boro para lograr un aislante eléctrico.

El grafeno, aislado por primera vez en la Universidad de Manchester en el 2004, tiene potencial para revolucionar diversas aplicaciones, incluyendo los smartphones, la transmisión ultrarrápida de banda ancha, la administración de medicamentos en puntos muy precisos del cuerpo, y chips de ordenador. Al grafeno se le considera capaz de reemplazar a materiales comunes de la industria electrónica como por ejemplo el silicio, pero el equipo de Ponomarenko y Geim cree que su utilidad será aún mayor para nuevos dispositivos y materiales que aún no han sido inventados.

En el transformador de tamaño nanométrico, los electrones que se mueven en una capa metálica arrastran a los electrones de una segunda capa metálica usando sus campos eléctricos locales. Para trabajar con este fenómeno, las capas metálicas necesitan estar aisladas eléctricamente unas de otras, pero separadas por no más de algunas distancias interatómicas.

Estas nuevas estructuras hechas a base de capas con el grosor de un átomo podrían algún día establecer los fundamentos para una nueva gama de dispositivos electrónicos y fotónicos complejos que no podrían fabricarse con ningún otro material existente, lo que incluye varias nuevas arquitecturas para transistores y detectores.

El nanotransformador fue ensamblado por Roman Gorbachev, de la Universidad de Manchester.

Aparte del grafeno, hay muchos materiales potencialmente utilizables en forma de láminas con el grosor de un átomo. Combinándolos, es posible crear nuevos materiales que no existen en la naturaleza. "Este camino promete volverse mucho más emocionante que el propio grafeno", valora Geim.

Estos fueron algunos de los avances que la nanoelectrónica