NeoFronteras

Proponen un transistor basado en molibdeno y otro espintrónico basado en grafeno para un futuro en el que el silicio haya alcanzado sus límites.

Esquema de transistor de molibdenita. Fuente: EPFL.

Pese a que a la tecnología de silicio le queda todavía un tiempo surgen nuevas ideas que pueden dar lugar a los dispositivos electrónicos del futuro. Vamos a ver dos resultados recientes al respecto.

El primero de ellos trata de un nuevo tipo de transistor de alta eficiencia basado en disulfuro de molibdeno o molibdenita. Al parecer, este nuevo transistor presenta muchas ventajas respecto a los de silicio y a los de grafeno para aplicaciones electrónicas. Podría permitir fabricar transistores más pequeños y eficientes que los actuales.
La molibdenita es un semiconductor y se presenta en forma de mineral en la corteza terrestre de forma abundante. Aunque frecuentemente se usa en aleaciones de acero o como aditivo en lubricantes, hasta ahora no se había estudiando en profundidad sus características electrónicas.
En este caso se trata de crear una lámina casi bidimensional de molibdenita. De este modo se podrían crear transistores muy pequeños, diodos LED o células solares más eficientes, según los expertos de la Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne que trabajan sobre este material.
Una lámina de molibdenita tiene un grosor de sólo 0,65 nm y actualmente es imposible fabricar una lámina de silicio tan fina como eso. Además, un transistor de molibdenita consumiría 10.000 veces menos energía en estado standby que un transistor tradicional de silicio.
La zanja de energía de la molibdenita es de 1,8 voltios lo que permitiría apagar y encender un transistor fabricado con ella de manera más efectiva. La zanja de energía de un semiconductor es la energía que hay, según la teoría de bandas, entre los electrones que se mueven libremente en la banda de conducción y lo que se encuentran en la banda de valencia. Si esa zanja de energía es muy grande es muy difícil que un electrón salte de una banda a otra. Si es demasiado pequeña saltan con demasiada facilidad. Si un semiconductor tiene una zanja adecuada es posible controlar bien el comportamiento de los electrones y que se pueda encender y apagar con facilidad un transistor fabricado con ese semiconductor.
La existencia de una zanja de energía en la molibdenita proporciona más ventajas a los transistores basados en este material frente a los que se basan en grafeno, según estos expertos. El grafeno es un semimetal y no presenta zanja de energía.
Las propiedades especiales del grafeno se deben a la confinamiento bidimensional de los electrones. Al eliminar ese grado de libertad los electrones se mueven relativisticamente, como si no tuvieran masa, dando al grafeno ciertas ventajas.

El segundo logro viene de China. Sum Chan, de la Universidad de Hong Kong, y sus colaboradores han realizado un importante avance en la confección de dispositivos espintrónicos en los que la corriente sea de espines, algo que hasta ahora se ha demostrado muy difícil de realizar. Este tipo de dispositivos prometen ser mucho más pequeños y eficientes que los actuales. En este caso han utilizado grafeno como material base.
Un electrón puede tener dos estados de espín: el «up» y el «down«, y se puede utilizar esta propiedad para almacenar y procesar información en circuitos espintrónicos. La ventaja en este caso es que la energía para cambiar el espín de los electrones es muy pequeña y por tanto estos circuitos consumirían menos energía y serían más rápidos.
En el grafeno los electrones pueden mantener su espin durante mucho tiempo, lo que hace a este material un buen candidato para este tipo de electrónica, porque la información no se pierde fácilmente.
La espintrónica manipularía la información a través de una corriente de espines pura, que consistente en electrones con espines opuestos moviéndose en sentidos opuestos. Sin embargo, es difícil generar una corriente de espines pura en el grafeno porque este material tiene una interacción espín-órbita pequeña. Es más fácil generarla en dispositivos semiconductores basados en el efecto Hall.
Estos científicos chinos proponen una manera de generar esta corriente pura de espines en el grafeno así como una corriente de espines polarizada. Todo ello sin necesidad de aplicar un campo magnético externo.
Una corriente de espines polarizada es una corriente en la que hay una distribución desigual de espines entre las dos direcciones, un número diferente de un tipo de espín respecto al otro.

Esquema del dispositivo. Fuente: Appl. Phys. Lett..

En el nuevo método se deposita una película fina de material ferromagnético sobre el grafeno y se conecta a dos electrodos metálicos. El grado de polarización de la corriente se puede cambiar cambiando la energía de Fermi. Controlar el grado de polarización es importante a la hora de desarrollar futuros dispositivos espintrónicos. El método explota la proximidad del material ferromagnético y el fenómeno de bombeo cuántico adiabático, que es usado habitualmente en semiconductores para generar corriente de espines, pero que nunca se había aplicado al grafeno.
Según los investigadores, entre las posibles aplicaciones futuras estaría la creación de computadores cuánticos basados en grafeno. En ellos la corriente de espín puede ser usada para generar polarización de espín en puntos cuánticos del grafeno, puntos que actuarían como qubits. La corriente de espín se podría usar además para controlar, rotar y detectar espines en esos qubits.
Otra aplicación sería el posible almacenamiento de información en memorias magnéticas de acceso aleatorio.

El caso es que si ahora usamos un Iphone, un ordenador portátil o una gran pantalla plana y delgada de TV es porque muchos científicos trabajaron sobre este tipo de cosas en el pasado. Ahora unos científicos similares trabajan sobre la electrónica del mañana.

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Fuentes y referencias:
Nota de prensa.
Artículo original.
Noticia en Physics World.
Artículo original.