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Ley de Ohm nanométrica

Área: Física — Lunes, 16 de Enero de 2012

La ley de Ohm sigue siendo válida una vez alcanzados los límites de la ley de Moore.

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Fuente: Purdue University image/Sunhee Lee, Hoon Ryu and Gerhard Klimeck.

Un grupo de investigadores de las universidades de Melbourne, Nueva Gales del Sur y Purdue han encontrado los límites de transporte de corriente a escala nanométrica. Han usado tanto simulaciones a escala atómica como experimentos para demostrar que un hilo 20 veces más fino que los que hay en los microprocesadores actuales aún mantiene una capacidad de resistencia pequeña y obedecen todavía a la ley de Ohm. La ley de Ohm establece que la caída de voltaje a través de un conductor es igual al producto de su resistencia por la intensidad de corriente que circula por él. El estudio muestra que esta ley se puede aplicar incluso a la escala atómica.
El resultado es toda una sorpresa porque la visión tradicional sugería que los efectos cuánticos a esa escala producirían grandes desviaciones de esta ley. La ausencia de efecto cuánticos a esta escala sorprende más si cabe porque las medidas se realizaron a 4,2 kelvin y uno espera que los efectos cuánticos se hagan notar más a temperaturas bajas cercanas al cero absoluto. El sorprendente resultado nos dice que esta ley es un bloque fundamental de la Naturaleza.
El estudio también marca un final para la ley de Moore, ley empírica según la cual cada 18 meses se duplica el número de transistores en un circuito integrado, pues determina que una simple fila densa de átomos de fósforo embebidos en silicio es el límite definitivo de miniaturización. Según este resultado los componentes de un microchips podrían ser 10 veces más pequeños sin que se produzcan problemas.
Un gran problema que siempre preocupa a los expertos en chips es cómo miniaturizar los componentes aún más y que no haya fugas de corriente de un conductor al de al lado, sobre todo por efecto túnel mecánico-cuántico. Algo que introduciría ruido o malfuncionamiento en el sistema. De ahí que se crea que llegará un momento en el que la ley de Moore no se mantenga, incluso antes de llegar a la escala atómica. La puerta de los transistores de los chips actuales mide 22 nm, es decir, el tamaño de un centenar de átomos de silicio.
Para poder demostrar todo esto los investigadores tuvieron que construir átomo a átomo diversos circuitos en lugar de usar las técnicas habituales empleadas en la manufactura de circuitos integrados, que no tenían precisión suficiente. Encontraron que una cinta de 1 átomo de alto por 4 de ancho puede todavía funcionar como un hilo conductor tan bueno como uno mayor hecho de metal.
El fósforo tiene un electrón más que el silicio en su capa exterior y cuando reemplaza a un átomo de silicio en la red dona ese electrón, que pasa a ser un electrón libre en el cristal (es lo que se llama dopado de tipo n). Dopando (contaminando) con fósforo se pueden cambiar las propiedades del silicio, algo que se viene haciendo desde que se empezaron a inventar los propios transistores.
En este estudio se aprovecha al máximo esta propiedad empaquetando densamente átomos de fósforo en una matriz cristalina de silicio para así crear un conductor lineal. La alta concentración de átomos de fósforo produce una alta densidad de electrones y su scattering mutuo destruye la coherencia cuántica, dando lugar a un comportamiento clásico.
Ya se está a punto de conseguir transistores hechos con átomos individuales, pero conseguir un chip a partir de ellos es muy complicado debido a que la necesaria circuitería tiene que bajar hasta casi la escala atómica para poder interconectar esos transistores entre sí. Para ello no se podría usar el cobre que se usamos habitualmente, sino que habría que usar otros elementos y métodos. Es aquí donde encaja el hilo de fósforo de 1×4 átomos de sección. Un hilo densamente dopado de este tipo es una alternativa viable para la nueva generación de chips de silicio.
Adicionalmente, y paradójicamente, los autores de este estudio apunta que basándose en los resultados quizás sea posible algún día realizar computaciones cuánticas basadas en silicio. Aunque sobre este punto no todos los expertos están de acuerdo y apuntan que es más bien al contrario y que este resultado sugiere que no es fácil conseguir la computación cuántica.

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Fuentes y referencias:
Nota de prensa.
Artículo original

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4 Comentarios

  1. NeoFronteras:

    Quizás no lo parezca, pero este resultado es bastante interesante, pese el título anodino.

  2. tomás:

    Es que, hasta el resumen debería haberse referido más a la ausencia de efectos cuánticos -a los que habría de buscar explicación-, que son mucho más importantes que la ley de Moore, una ley empírica modificable incluso por causas económicas.

  3. NeoFronteras:

    Es que la ley de Moore no es una ley física. Cosas de los ingenieros, como el número de Reynolds y otras ideas.

  4. tomás:

    A mí también me han molestado siempre ese tipo de fórmulas -porque en el Re que mencionas hay que hablar de una fórmula que es la que proporciona un número para unas u otras condiciones-. Muchas de ellas sólo son válidas en tramos muy concretos de las variables. Lo que sucede es que suele aplicarse, p. ej. el Re, a fenómenos muy complejos, en los que coexisten fenómenos laminares y turbulentos, en los cuales es prácticamente imposible hacer otra cosa que realizar modelos y ver cómo utilizas la fórmula. Ahora con los modelos informáticos es mucho más barato y se pueden hacer muchos cambios, pero antes era muy caro y poco elástico.
    Los cálculos para la geometría y dimensiones de las hélices fallaban con frecuencia y era relativamente fácil hacer una que luego no daba el rendimiento previsto, sobre todo para barcos de veinte o treinta metros.
    No son cosas de los ingenieros; es que no hay por donde cogerlas. Pero sí, son fórmulas muy desagradables, aunque muy útiles si se utilizan bien.

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