Componentes Electrónicos: Un Átomo a la Vez

Es muy probable que en tu mano en estos momentos, o quizá en tu bolsillo o junto a ti en alguna superficie cercana, haya un teléfono celular inteligente. O una computadora o algún dispositivo híbrido, como una tablet.  Las fuentes de información que nos mantienen en contacto con seres queridos y nos informan del acontecer del mundo a tan solo minutos de ocurridos son más accesibles que nunca.

Lejos están los días en que la mayoría de nuestra lectura diaria provenía de papel y tinta, y ahora la gran mayoría ocurre a través de luz generada en una pantalla que nuestros ojos luego captan. Incluso una gran proporción de la generación millenial (definida como aquellos nacidos entre 1980 y 1996) tienen aún vivos recuerdos de los tiempos en los cuáles un teléfono móvil tenía solo dos colores y una resolución de 140 pixeles (comparados con los más de 8,000,000 actuales).

Chip con procesadores integrados de 7 nanómetros. Crédito: Android Authority.

Estos dispositivos no sólo han avanzado a pasos agigantados en su habilidad para brindarnos imágenes nítidas y claras, sino en su –quizá más importante– capacidad de cómputo. Los componentes microscópicos que se encargan de mantener nuestros dispositivos funcionando requieren de técnicas refinadas y de gran control en los materiales utilizados, a veces jugando con distancias que son solo unos cuantos átomos de longitud. ¿Quiénes son los científicos e ingenieros que se atreven a jugar en estos espacios tan diminutos?

Empecemos por el principio: a mediados de la década de los ochentas había varias maneras de hacer capas de materiales de grosores bastantes finos. Hablamos de capas de un grosor 60 veces más delgado que un cabello humano. Sin embargo, las teorías predominantes del momento sobre como alterar el comportamiento de los electrones (partículas elementales que existen rodeando el núcleo de un átomo) requerían distancias cientos de veces aún más delgadas, en el orden de los nanómetros. ¿Y para qué las capas tan delgadas? Bien, cada material tiene una propiedad que dicta que tan fácil es para los electrones el moverse alrededor (conductividad). Un metal permite el libre movimiento y por ende su gran habilidad para conducir calor y electricidad (conductor). Un trozo de madera, en cambio, no permite a los electrones ese libre movimiento (aislante).

En medio de estos dos tipos de materiales se encuentra el semiconductor: un material que permite el movimiento de electrones que alcanzan a obtener un cierto nivel de energía. Pensémoslo de la siguiente manera: un motociclista acrobático sólo puede saltar sobre un cierto número de automóviles y aterrizar a salvo en la otra rampa si consigue la energía necesaria para cruzar, de lo contrario ni siquiera intentará la acrobacia. Lo mismo ocurre con los electrones en semiconductores. A menos que el electrón consiga la energía suficiente para llegar a la banda de conducción¸ el electrón permanece en un estado de baja energía.

Similar a un motociclista durante un salto, un electrón requiere cierta energía para ser capaz de moverse libremente en un semiconductor. Crédito: Motorcycle Jump in Las Vegas.

Sin embargo, una vez que un intrépido electrón logra llegar la banda de conducción, su hipotético anhelo por regresar al nivel de baja energía (al que yo cariñosamente llamo la pereza de la naturaleza) le obliga a sacrificar esa energía que obtuvo, y liberarla en la forma de una unidad de luz: el fotón. ¿Qué tiene de especial este proceso?El hecho de que la energía del fotón liberado por los electrones que retornan al estado de baja energía pueda ser afinado por la diferencia entre estos niveles, proporciona a los investigadores la capacidad de diseñar dispositivos capaces de emitir luz no sólo en todos los colores del arcoíris, sino más allá del violeta y más profundos que el rojo.

Aquí es donde entra la técnica científica que permite a científicos alrededor del mundo a manipular capas de distintos materiales a grosores incluso inferiores a un átomo. La epitaxia por haces moleculares (EHM), o MBE por sus siglas en inglés, es esencialmente una forma de grafiti atómico, donde distintos materiales, usualmente en su más puro estado, son rociados sobre un sustrato caliente para construir dispositivos a base de distintas capas con gran cristalinidad. Para ponerlo en perspectiva, no sólo es el crecimiento de estos materiales capaz de permitir estudios en el orden de los nanómetros, sino que provee a investigadores con la habilidad de hacer estudios en capas de sólo un átomo de grosor.

Con su diseño futurístico, una máquina de epitaxia por haces moleculares (EHM, o MBE por sus siglas en inglés) es capaz de generar el crecimiento de capaz de materiales de un átomo de grosor. Crédito: Veeco

Cuándo los electrones se encuentran en un material que les permite el movimiento, pero se encuentran rodeados por capas de un material distinto que hace su circulación más complicada, éstos tienden a quedarse en el material donde pueden moverse libremente y entonces se dice que se encuentran confinados. El confinamiento cuántico de las partículas, con todo y su nombre tan futurístico, hace a los electrones exhibir sus propiedades cuánticas. Entre éstas se encuentra la habilidad de transportarse entre barreras sólidas a través del efecto túnel, el poder de emitir fotones con entrelazamiento cuántico, mostrar el efecto cuántico de Hall (donde las partículas se mueven en círculos en la presencia de un campo magnético) entre otros muchos, más especializados efectos de interés para las tecnologías emergentes de la computación cuántica.

Las nuevas tecnologías de computación cuántica dependen hoy en día de nuestra habilidad de generar materiales con grosores en el orden unos cuántos átomos. Crédito: IBM

En resumen, el avance tecnológico que hemos experimentado en los últimos 40 años se debe en gran medida a nuestro interés en entender el comportamiento de las partículas subatómicas y como podemos cosechar los beneficios de su extraño comportamiento en el ámbito cuántico. Hoy en día tenemos acceso a tecnologías como la EHM (MBE) y su poder para generar las más finas capas de materiales. Lo que debemos preguntarnos ahora es: ¿cuál será el siguiente gran paso de la ciencia, y de dónde vendrá?

Un comentario en “Componentes Electrónicos: Un Átomo a la Vez

Responder

Introduce tus datos o haz clic en un icono para iniciar sesión:

Logo de WordPress.com

Estás comentando usando tu cuenta de WordPress.com. Cerrar sesión /  Cambiar )

Google photo

Estás comentando usando tu cuenta de Google. Cerrar sesión /  Cambiar )

Imagen de Twitter

Estás comentando usando tu cuenta de Twitter. Cerrar sesión /  Cambiar )

Foto de Facebook

Estás comentando usando tu cuenta de Facebook. Cerrar sesión /  Cambiar )

Conectando a %s