Físicos encuentran un nuevo estado de la materia en un “transistor”

Mcgill News
Traducción al español porCiencia kanija
22/10/08

¿Podría un tipo de cristal electrónico anteriormente desconocido ayudar en el futuro de la electrónica?

Investigadores de la Universidad McGill han descubierto un nuevo estado de la materia, el cristal electrónico cuasi-tridimensional, en un material muy similar al usado en la fabricación de los modernos transistores. Este descubrimiento podría tener implicaciones trascendentales para los nuevos dispositivos electrónicos. Actualmente, el número de transistores que pueden incrustarse de forma económica en un único chip de ordenador se incrementa de forma exponencial, duplicándose aproximadamente cada dos años, en una tendencia conocida como Ley de Moore. Pero existen límites, dicen los expertos. Conforme los chips se hacen cada vez más pequeños, las extrañas leyes y comportamientos de la física cuántica aparecen, haciendo imposibles los chips más pequeños.

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Este descubrimiento, y otros esfuerzos similares, podrían ayudar a la industria electrónica una vez que las técnicas de fabricación tradicional se aproximen a ese límite cuántico en la próxima década aproximadamente, dicen los investigadores. Trabajando con uno de los materiales semiconductores más puros jamás fabricados, descubrieron el cristal electrónico cuasi-tridimensional en un dispositivo enfriado a temperaturas ultra-bajas, aproximadamente 100 veces más frías que el espacio intergaláctico. El material entonces fue expuesto a los campos magnéticos continuos más poderosos generados en la Tierra. Sus resultados se publicaron en el ejemplar de octubre de la revista Nature Physics.

Los cristales electrónicos tridimensionales se descubrieron en el laboratorio en la década de 1990, y fueron predichos ya en 1934 por el famoso físico húngaro Eugene Wigner.

“Imagina un sandwich, y el jamón que hay en medio son tus electrones”, explicó el Dr. Guillaume Gervais, director del Laboratorio de Experimentos de Materia Condensada a Temperatura Ultra-Baja. “En un cristal electrónico 2D, los electrones están apretados entre los dos materiales y son asimismo bidimensionales. Pueden moverse en un plano, como bolas sobre una mesa de billar, pero no hay movimiento arriba y abajo. Hay grosor, pero están pegadas”.

Hasta un descubrimiento accidental durante uno de los primeros experimentos de Gervais a temperaturas ultra-bajas en 2005, no obstante, nadie había predicho la existencia de cristales electrónicos cuasi-tridimensionales.

“Decidimos pellizcar la bidimensionalidad aplicando un campo magnético muy grande, usando el mayor imán del mundo en el Laboratorio Magnético de Florida”, dijo. “Sólo tienes acceso al mismo durante cinco días al año, y el tercer día surgió algo totalmente inesperado”.

El “surgimiento” de Gervais fue la asombrosa transformación de un sistema electrónico bidimensional dentro del material semiconductor en un sistema cuasi-tridimensional, algo que la teoría existente no predecía.

“En realidad no es un 3-D, es un estado intermedio, un fenómeno totalmente nuevo”, dijo. “Este es el tipo de cosas que le encanta a los teóricos. Ahora se están rascando la cabeza intentando ajustar sus modelos”.

La importancia de este descubrimiento para la microelectrónica y la computación podrían ser profundas. Desde la invención del circuito integrado en 1958, la Ley de Moore ha alimentado la electrónica casera cada vez más rápida, ordenadores personales y la revolución de Internet que ha cambiado el mundo. Pero, explica Gervais, la Ley de Moore no es una fuerza irresistible, y en algún momento de la próxima década, inevitablemente colisionará con el objeto inmóvil de las leyes de la física.

“En un transistor estándar, tienes una puerta y el flujo de electrones se controla como si se tratase de un grifo que controlase un flujo de gas”, dijo. “Puedes imaginar las partículas como unidades independientes, las cuales nos permiten tratarlas como unos y ceros o encendido y apagado en la computación digital.

“No obstante, una vez que llegas a la nanoescala, las fuerzas cuánticas entran en juego y los electrones pueden condensarse en un estado colectivo y perder su naturaleza individual. Entonces surgen toda clase de extravagantes fenómenos. En algunos casos, incluso se dividen los electrones. Los conceptos de “encendido” y “apagado” pierden todo significado bajo estas condiciones”.

“Este tema es académica, pero no sólo académica. Los mismos materiales semiconductores con los que estamos trabajando, se usan actualmente el teléfonos móviles y otros dispositivos electrónicos. Tenemos que comprender los efectos cuánticos de forma que podamos usarlos en nuestro propio beneficio y tal vez reinventar por completo el transistor. De esta forma, el progreso en la electrónica seguirá su camino”.