El silicio tiene pocos competidores serios como material de elección en la industria electrónica. Sin embargo, transistores las válvulas conmutables que controlan el flujo de electrones en un circuito, no puede simplemente seguir encogiéndose para satisfacer las necesidades de los poderosos, dispositivos compactos; las limitaciones físicas como el consumo de energía y la disipación de calor son demasiado importantes.

Ahora, utilizando un material cuántico llamado óxido correlacionado, Los investigadores de Harvard han logrado un cambio reversible en la resistencia eléctrica de ocho órdenes de magnitud, un resultado que los investigadores llaman "colosal". En breve, han diseñado este material para que funcione de manera comparable con los mejores interruptores de silicio.

El hallazgo surgió en lo que puede parecer un lugar poco probable:un laboratorio normalmente dedicado al estudio de las pilas de combustible, del tipo que funcionan con metano o hidrógeno, dirigido por Shriram Ramanathan. Profesor Asociado de Ciencia de Materiales en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Harvard (SEAS). La familiaridad de los investigadores con las películas delgadas y el transporte iónico les permitió explotar la química, en lugar de la temperatura, para lograr el resultado dramático.

Debido a que los óxidos correlacionados pueden funcionar igualmente bien a temperatura ambiente o unos cientos de grados por encima de ella, sería fácil integrarlos en dispositivos electrónicos y métodos de fabricación existentes. El descubrimiento, publicado en Comunicaciones de la naturaleza , por lo tanto, establece firmemente los óxidos correlacionados como semiconductores prometedores para futuros circuitos integrados tridimensionales, así como para adaptativos, dispositivos fotónicos sintonizables.

Silicio desafiante

Aunque los fabricantes de productos electrónicos continúan incorporando mayor velocidad y funcionalidad en paquetes más pequeños, el rendimiento de los componentes basados ​​en silicio pronto chocará contra una pared.

"Los transistores de silicio tradicionales tienen limitaciones de escala fundamentales, ", dice Ramanathan." Si los reduce más allá de un determinado tamaño de función mínimo, no se comportan como deberían ".

Sin embargo, los transistores de silicio son difíciles de superar, con una relación de encendido / apagado de al menos 10 ^ 4 necesarios para el uso práctico. "Es un listón bastante alto para cruzar, "Ramanathan explica, agregando eso hasta ahora, Los experimentos que utilizan óxidos correlacionados han producido cambios de solo un factor de 10, o 100 como máximo, cerca de la temperatura ambiente. Pero Ramanathan y su equipo han creado un nuevo transistor, hecho principalmente de un óxido llamado niquelato de samario, que en la operación práctica logra una relación de encendido / apagado de más de 10 ^ 5, es decir, comparable a los transistores de silicio de última generación.

En trabajos futuros, los investigadores investigarán la dinámica de conmutación y la disipación de energía del dispositivo; mientras tanto, este avance representa una importante prueba de concepto.

"Nuestro transistor orbital realmente podría traspasar las fronteras de este campo y decir:¿Sabes que? Este es un material que puede desafiar al silicio, "Dice Ramanathan.

Dopaje químico de estado sólido

Los científicos de materiales han estado estudiando la familia de óxidos correlacionados durante años, pero el campo aún está en pañales, con la mayoría de las investigaciones destinadas a establecer las propiedades físicas básicas de los materiales.

"Acabamos de descubrir cómo dopar estos materiales, que es un paso fundamental en el uso de cualquier semiconductor, "dice Ramanathan.

El dopaje es el proceso de introducir diferentes átomos en la estructura cristalina de un material, y afecta la facilidad con que los electrones pueden moverse a través de él, es decir, en qué medida resiste o conduce la electricidad. El dopaje normalmente afecta este cambio al aumentar la cantidad de electrones disponibles, pero este estudio fue diferente. El equipo de Harvard manipuló la banda prohibida, la barrera de energía al flujo de electrones.

"Por una cierta elección de dopantes, en este caso, hidrógeno o litio:podemos ampliar o reducir la banda prohibida en este material, moviendo electrones de forma determinista dentro y fuera de sus orbitales, "Dice Ramanathan. Ese es un enfoque fundamentalmente diferente al que se usa en otros semiconductores. El método tradicional cambia el nivel de energía para alcanzar el objetivo; el nuevo método mueve el objetivo en sí.

En este transistor orbital, los protones y electrones entran o salen del niquelato de samario cuando se aplica un campo eléctrico, independientemente de la temperatura, por lo que el dispositivo puede funcionar en las mismas condiciones que la electrónica convencional. Es de estado sólido, lo que significa que no involucra líquidos, gases, o partes mecánicas móviles. Y, en ausencia de poder, el material recuerda su estado actual, una característica importante para la eficiencia energética.

"Esa es la belleza de este trabajo, "dice Ramanathan." Es un efecto exótico, pero en principio es altamente compatible con los dispositivos electrónicos tradicionales ".

Materiales cuánticos

A diferencia del silicio, niquelato de samario y otros óxidos correlacionados son materiales cuánticos, lo que significa que las interacciones de la mecánica cuántica tienen una influencia dominante sobre las propiedades del material, y no solo a pequeñas escalas.

"Si tienes dos electrones en orbitales adyacentes, y los orbitales no están completamente llenos, en un material tradicional, los electrones pueden moverse de un orbital a otro. Pero en los óxidos correlacionados, los electrones se repelen tanto que no pueden moverse, "Ramanathan explica." La ocupación de los orbitales y la capacidad de los electrones para moverse en el cristal están muy estrechamente unidas, o 'correlacionadas'. Fundamentalmente, eso es lo que determina si el material se comporta como un aislante o un metal ".

Ramanathan y otros en SEAS han manipulado con éxito la transición metal-aislante en óxido de vanadio, también. En 2012, demostraron un dispositivo sintonizable que puede absorber el 99,75% de la luz infrarroja, apareciendo negro a las cámaras infrarrojas.

Similar, Es probable que el niquelato de samario capte la atención de los físicos aplicados que desarrollan dispositivos fotónicos y optoelectrónicos.

"Abrir y cerrar la banda prohibida significa que ahora puede manipular las formas en que la radiación electromagnética interactúa con su material, "dice Jian Shi, autor principal del artículo en Comunicaciones de la naturaleza . Completó la investigación como becario postdoctoral en el laboratorio de Ramanathan en Harvard SEAS y se unió a la facultad del Instituto Politécnico Rensselaer este otoño. "Con solo aplicar un campo eléctrico, estás controlando dinámicamente cómo la luz interactúa con este material ".

Más adelante, Investigadores del Centro de Materiales Cuánticos Integrados, establecida en Harvard en 2013 a través de una subvención de la National Science Foundation, tienen como objetivo desarrollar una clase completamente nueva de dispositivos y sistemas electrónicos cuánticos que transformarán el procesamiento y la computación de señales.

Ramanathan compara el estado actual de la investigación de materiales cuánticos con la década de 1950, cuando los transistores se inventaron recientemente y los físicos todavía les daban sentido. "Básicamente estamos en esa era para estos nuevos materiales cuánticos, ", dice." Este es un momento emocionante para pensar en establecer lo básico, propiedades fundamentales. En la próxima década, esto realmente podría madurar y convertirse en una plataforma de dispositivos muy interesante ".