Este artículo se publica en colaboración con MIT News.
La Ley de Moore permitió durante cinco décadas dispositivos electrónicos más pequeños, baratos y rápidos, pero para dar el próximo salto tecnológico se necesitará un nuevo paradigma, como los materiales cuánticos, afirmó Carl V. Thompson, director del Materials Processing Center, en el simposio anual Materials Day del MIT.
Una nueva familia de materiales cuánticos, que incluye el grafeno, el nitruro de boro hexagonal, el disulfuro de molibdeno y los centros de vacante de nitrógeno en diamante, se encuentra en la vanguardia de la investigación científica reciente. Se estudian por sus propiedades electrónicas, ópticas y magnéticas poco comunes, con especial interés en sus posibles usos en detección, procesamiento de información y memoria.
Aunque tales materiales «quizá no sean necesariamente la base de una tecnología de reemplazo, (estos) sin duda serán la base de una tecnología complementaria a la tecnología convencional de circuitos integrados», afirmó Thompson. Además de ser director del MPC, Thompson es catedrático Stavros Salapatas de Ciencia e Ingeniería de Materiales del MIT.
La batalla por controlar el diamante
La espintrónica del diamante es prometedora para un amplio abanico de aplicaciones, entre ellas la imagen nanomagnética, los giroscopios y el procesamiento de información cuántica, afirmó Daniel Twitchen, director de tecnología (CTO) de Element Six, en el simposio del 14 de oct. de 2015. Twitchen informó de que los avances en el crecimiento de diamante sintético están ayudando a materializar aplicaciones que aprovechan las propiedades deseables del diamante, desde su resistencia y su amplia transparencia óptica hasta su estabilidad química y biológica, pasando por tener la mayor conductividad térmica en volumen de cualquier material.
Mientras que el diamante puro forma una red compuesta únicamente por átomos de carbono, en esa red puede crearse una impureza llamada defecto de vacante de nitrógeno. El diamante con centro de vacante de nitrógeno (centro NV) recibe ese nombre porque combina un átomo de nitrógeno que sustituye a un átomo de carbono, junto a un espacio vacío donde falta un átomo de carbono en la red. Los pares de vacante de nitrógeno dan al diamante un color rosado. Estos centros de color de vacante de nitrógeno pueden mantener sus propiedades cuánticas o espintrónicas durante hasta varios segundos a temperatura ambiente, señaló. «Si aplico un barrido de microondas sobre esto, mientras observo la luz que emito al excitarlo, que sale de estos estados, cuando llego al estado cero, se ilumina», explicó Twitchen. «Cuando llego al estado uno, se oscurece, así que tengo esta señal de resonancia magnética detectada ópticamente, y esa es mi lectura».
Electrónica incrustada
Tomás Palacios, profesor asociado de Ingeniería Eléctrica e Informática, ve una oportunidad para tener 100 veces más electrónica incorporando materiales bidimensionales (2D) en todos los objetos que usamos o vestimos. Entre los objetos conectados que Palacios imagina se encuentran: papeles pintados y escritorios electrónicos que cargan dispositivos como los teléfonos móviles de forma inalámbrica; techos que se iluminan para reemplazar la iluminación tradicional; ventanas que funcionan también como pantallas transparentes; altavoces distribuidos de gran superficie; y sensores por todas partes.
«Creo firmemente que los materiales bidimensionales son un elemento clave para el futuro de los microsistemas que podrán llevar la electrónica a todos los objetos y aumentar la densidad de rendimiento de la electrónica, no en un 10 % sino en cinco o seis órdenes de magnitud», afirmó Palacios. Su laboratorio hizo crecer grafeno de una sola capa sobre lámina de cobre mediante deposición química de vapor y desarrolló un sistema robótico para transferir el grafeno a cualquier sustrato, incluidos el papel y la ropa. Según afirmó, el rendimiento de los materiales 2D ya es lo bastante bueno para muchas aplicaciones. El grafeno, señaló, es 200 veces más resistente que el acero estructural y conduce la electricidad mejor que cualquier metal. Entre los productos de grafeno figuran raquetas de tenis de alto rendimiento y tintas conductoras para sistemas electrónicos flexibles. Su trabajo más reciente consiste en plegar materiales 2D para demostrar la próxima generación de microsistemas y nanosistemas.
Revolución en la física
Pablo Jarillo-Herrero, profesor asociado Mitsui de Desarrollo Profesional en Física del MIT, afirmó que los materiales en capas de espesor atómico son una revolución en la física de la materia condensada. Habló de su trabajo, que demuestra que las capas de grafeno y de nitruro de boro hexagonal crean un patrón de moiré y pueden tener una banda prohibida electrónica. Este patrón de moiré, que se forma por la superposición de las estructuras de panal de estos materiales ultrafinos, varía con el ángulo de torsión de las capas de grafeno y nitruro de boro hexagonal, y resulta que su banda prohibida varía con el ángulo de torsión de sus estructuras cristalinas. «Lo que planteamos como hipótesis es que en realidad se abre una banda prohibida en el punto de neutralidad de carga, y se debe al acoplamiento entre este grafeno y este nitruro de boro hexagonal», explicó Jarillo-Herrero.
El laboratorio de Jarillo-Herrero en el MIT también creó el diodo más delgado del mundo con un semiconductor ultrafino relacionado, el diselenuro de tungsteno monocapa, de menos de 1 nanómetro de espesor. Este diodo de diselenuro de tungsteno monocapa también puede funcionar como fotodetector y como diodo emisor de luz (LED).
Explorar los aislantes topológicos
Nuh Gedik, profesor asociado de desarrollo profesional Lawrence C. (1944) y Sarah W. Biedenharn de Física del MIT, explicó su trabajo pionero sobre materiales como el seleniuro de bismuto, conocidos como aislantes topológicos porque son eléctricamente aislantes en su interior, pero conducen libremente a lo largo de sus bordes. «En la superficie, si se aplica un campo eléctrico, se obtiene una respuesta magnética, y viceversa», afirmó Gedik. «Se puede pensar en conmutar bits de memoria usando este efecto, etc.»
El trabajo de Gedik combina la óptica láser ultrarrápida con la espectroscopia de fotoemisión resuelta en ángulo (ARPES) para medir los electrones de superficie en un aislante topológico. Gedik mostró un vídeo de sus experimentos de laboratorio, que fueron la primera demostración de bandas de Floquet-Bloch en un sólido. «Se ve que, a medida que entra la luz, aparecen réplicas de la dispersión electrónica que se forman en energía, y cuando la luz se apaga, también desaparecen. Cuando la luz está presente, se forman estas bandas coherentes adicionales», afirmó Gedik. «…Los fotones que se envían se hibridan con los electrones y forman estas bandas híbridas, bandas fotón-electrón, que, a todos los efectos prácticos, se comportan como bandas reales». Experimentos posteriores demostraron que la luz polarizada circularmente rompe la simetría de inversión temporal y abre una banda prohibida en el material.
Medición del magnetismo a nanoescala
El doctor Amir Yacoby, catedrático de Física de la Universidad de Harvard, describió su trabajo para desarrollar un nuevo sensor, basado en diamante con centros de vacante de nitrógeno, que mide campos magnéticos y captura la estructura y la carga de los skyrmiones, que tienen un interés potencial para la computación. Lo comparó con reinventar la resonancia magnética por imagen (MRI) a escala nanométrica. Debido al tamaño reducido de muchos materiales nuevos, como una lámina de grafeno, no hay una muestra lo bastante grande para aplicar muchas herramientas de medición tradicionales.
«Lo que esperamos al desarrollar este tipo de nuevos enfoques para caracterizar materiales es que nos den nuevas perspectivas sobre las propiedades de los materiales, pero también que ayuden a nuestra capacidad para diseñar materiales con propiedades predeterminadas», afirmó Yacoby. Aplicó las lecciones de la ciencia de la información cuántica para fabricar el sensor que detecta campos magnéticos. «Si estos cúbits son tan sensibles a su entorno, ¿por qué no usarlos como sensores reales del entorno?», afirmó Yacoby. «La detección y la inicialización se realizan ópticamente, y el control, mediante microondas», explicó. «Tenemos una forma muy sencilla de comparar cuál es la señal en relación con la incertidumbre, y esto nos da nuestra sensibilidad». Usando una punta de escaneo, su grupo obtuvo una imagen de un espín electrónico estático en el espacio, afirmó Yacoby. La nueva herramienta puede utilizarse para investigar defectos en los materiales, interfaces entre materiales y espines nucleares en el interior de los sólidos.
Nueva computación con skyrmiones
El doctor George Bourianoff, consultor especial de los Microprocessor Research Labs de Intel, afirmó que, a medida que cada vez más personas y dispositivos se conectan al Internet de las cosas, los ordenadores que ejecutan Internet tendrán que ir más allá de las funciones lógicas booleanas exactas hacia funciones cognitivas. «Lo que se busca en la computación más allá de CMOS son patrones y flujos de imágenes, no bits ni flujos de bits. Queremos que sea aproximada y probabilística; queremos operadores no lineales; y queremos topologías de conexión complejas que puedan aprenderse y adaptarse a la tarea que se tenga entre manos», explicó Bourianoff.
Una posibilidad para este nuevo paradigma es la computación de reservorio, y los conjuntos de skyrmiones son una de las posibilidades para implementarla. «La base de la computación de reservorio es que el sistema dinámico reduce múltiples flujos de imágenes a una sola instantánea, mucho más sencilla de reconocer», afirmó Bourianoff. «La computación de reservorio tiene una base matemáticamente rigurosa». Una posibilidad para implementar la computación de reservorio son los conjuntos de skyrmiones magnéticos. Bourianoff definió los skyrmiones magnéticos como estructuras de espín quirales dentro de una textura de espín con una configuración en remolino. «Pueden codificar tan solo un cuanto de información o miles de cuantos. Pueden crearse y leerse, y, lo ideal, proporcionan un sistema físico para implementar la computación de reservorio», afirmó.
El diamante como habilitador cuántico
Los pilares de diamante con centro de vacante de nitrógeno pueden ofrecer una capacidad de almacenamiento de memoria ilimitada, afirmó en el simposio Gary L. Harris, coinvestigador principal del Center for Integrated Quantum Materials (CIQM). Harris, decano de la Escuela de Posgrado de la Universidad Howard, en Washington, D.C., desarrolló una nueva técnica para cultivar pilares de diamante con centros de vacante de nitrógeno destinados a aplicaciones de cúbits (bits cuánticos). Estos pilares pueden formarse en una matriz alrededor de una oblea. «La idea sería crear todas estas pequeñas celdas de memoria, y así hemos resuelto el problema irresoluble porque disponemos de una cantidad infinita de almacenamiento y capacidad de memoria», afirmó Harris.
El proceso utiliza máscaras de copolímero dibloque autoensamblado para cultivar pilares de diamante con centros de vacante de nitrógeno. Los centros de color de vacante de nitrógeno crean un sistema de espín único que puede leerse fácilmente. «Se introduce luz a una frecuencia y se obtiene luz a otra frecuencia. Se introduce luz verde y se obtiene luz roja. La intensidad de la luz roja da una idea del estado de espín del sistema», afirmó Harris. «Si se quiere que esta tecnología del diamante sea viable, habrá que disponer de sustratos de gran tamaño. Ese fue el arma secreta en el desarrollo de la tecnología del silicio. El tamaño de los sustratos creció y creció y creció», afirmó.
Para el simposio “Quantum Materials”, el MPC colaboró con el Center for Integrated Quantum Materials (CIQM), con sede en Harvard. El CIQM, un proyecto multisede de cinco años financiado por la National Science Foundation, está dirigido por Robert M. Westervelt, catedrático Mallinckrodt de Física Aplicada y de Física de la Universidad de Harvard. La participación del MIT en el CIQM, dirigida por el coinvestigador principal Ray Ashoori, catedrático de Física, se gestiona a través del Materials Processing Center. Unas 223 personas asistieron al Simposio Materials Day.
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Autor: Denis Paiste trabaja en el Materials Processing Center del MIT.
Imagen: Un empleado escribe en un teclado de ordenador. REUTERS/Stoyan Nenov.
