Algunos avances del 2012 de la La nanoelectrónica

1. Avances de la Nanoelectrónica
Juan Carlos Morales
Universidad TELESUP

2. Nanoelectrónica
La 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

3. 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.

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

5. • 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. Llega el vendaje nanotecnológico
que avisa de una infección
Un 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.

6. Inesperado incremento de
voltaje al agrupar nanocables en
configuraciones específicas
En 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.

7. • 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 Logran cambiar de modo
metamateriales que en este caso están basados en un conjunto de espectacular la fase de la luz
nanoantenas dispuestas en una configuración especial.
mediante nanoantenas
El equipo de la Universidad Purdue ha llevado el trabajo un paso más allá,
Se ha demostrado que ciertos conjuntos de diminutas
creando conjuntos de nanoantenas y cambiando la fase y la dirección de la nanoantenas plasmónicas pueden manipular la luz con
propagación de la luz en una franja amplia de la banda del infrarrojo cercano. alta precisión y de maneras, hasta ahora inasumibles,
que podrían hacer factibles muchas clases de
innovaciones ópticas, como por ejemplo microscopios
En este nuevo trabajo también han participado Xingjie Ni, Naresh K. Emani, con mayor poder escrutador, telecomunicaciones más
Alexander V. Kildishev, y Alexandra Boltasseva. 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.

8. 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. Crean un cable de 4 átomos
En el desarrollo del cable han trabajado, entre otros, Michelle Simmons
de ancho y 1 de alto
(directora del Centro de Excelencia para la Computación Cuántica de la La miniaturización de los cables eléctricos ha alcanzado una
Universidad de Nueva Gales del Sur), Bent Weber (de la misma universidad), cota que hasta hace no muchos años era exclusiva de la ciencia-
ficción. En un nuevo y asombroso avance, se ha conseguido
Gerhard Klimeck (profesor en la Universidad Purdue y director de la Red para la crear un cable tan delgado que hay que medirlo por átomos:
Nanotecnología Computacional), y Hoon Ryu (ahora en el Centro de 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
Supercomputación del Instituto Coreano de Ciencia y Tecnología). 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.

9. 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 La unidad de almacenamiento
configuración magnética. Un pulso más débil permite leer la configuración, magnético de datos más pequeña
aunque actualmente el "cabezal" de lectura sólo es estable a una temperatura muy
fría: 268 grados centígrados bajo cero. 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.

10. La antena emisora y la receptora
más pequeñas del mundo
Unos 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.

11. 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. Transformador eléctrico de
tamaño nanométrico
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 Se ha logrado ensamblar capas atómicas
dispositivos electrónicos y fotónicos complejos que no podrían fabricarse con individuales unas sobre otras en la sucesión
deseada, de tal modo que la estructura nanométrica
ningún otro material existente, lo que incluye varias nuevas arquitecturas resultante funciona como un transformador
para transistores y detectores. eléctrico.
El nanotransformador fue ensamblado por Roman Gorbachev, de la El equipo de Leonid Ponomarenko y Andre Geim
(galardonado con un Premio Nobel), en la
Universidad de Manchester. Universidad de Manchester en el Reino Unido, usó
cristales individuales de un átomo de espesor para
Aparte del grafeno, hay muchos materiales potencialmente utilizables en construir la estructura multicapa.
forma de láminas con el grosor de un átomo. Combinándolos, es posible crear
Los científicos usaron el grafeno como un plano
nuevos materiales que no existen en la naturaleza. "Este camino promete conductor de un átomo de espesor, mientras que
volverse mucho más emocionante que el propio grafeno", valora Geim. 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.

12. Estos fueron algunos de los avances que la nanoelectrónica