Francis en @TrendingCiencia: El levitón que transporta un electrón individual en un conductor

Puedes escuchar mi nuevo podcast sobre Física para Trending Ciencia siguiendo este enlace. He elegido un artículo aparecido en la revista Nature el pasado 31 de octubre titulado «Minimal-excitation states for electron quantum optics using levitons» («estados de excitación mínima para la óptica cuántica de electrones usando levitones») cuyo autor principal es Christian Glattli, del Grupo de Nanoelectrónica del IRAMIS, en el centro CEA de Saclay, Francia, centro que pertenece al CNRS Francés, y la primera autora es Julie Dubois. El artículo presenta la observación experimental de un nuevo tipo de onda solitaria o solitón bautizada como «levitón». Los levitones son cuasipartículas formados por un número entero de electrones y se pueden usar para transportar electrones individuales a través de un conductor, es decir, actúan como fuentes de electrones individuales bajo demanda, lo que les hace tener múltiples aplicaciones en nanoelectrónica cuántica.

Por cierto, en el título del artículo técnico se habla de óptica cuántica de electrones, que también se traduce por óptica cuántica electrónica, quizás te preguntes qué es: se trata de usar técnicas con electrones en materiales conductores que están inspiradas en la óptica cuántica. Pero vayamos al grano, ¿qué son los levitones? Y lo más importante, ¿cómo han sido observados?

El nuevo artículo técnico es J. Dubois et al., «Minimal-excitation states for electron quantum optics using levitons,» Nature 502: 659–663, 31 Oct 2013. El podcast también está inspirado en Christian Flindt, «Quantum physics: Single electrons pop out of the Fermi sea,» News & Views, Nature 502: 630–632, 31 Oct 2013. Para los francófonos «Les lévitons : des électrons sans bruit pour l’optique quantique électronique,» IRAMIS, CEA Saclay, 29 Oct 2013.

Hacia un nuevo tipo de electrónica en diamante, la «valletrónica»

No hay dos sin tres. La electrónica y la espintrónica tienen compañía, la «valletrónica» (valleytronics), basada en los «valles» del espectro de energía de la banda de conducción que aparecen en un cristal que posee diferentes ejes de simetría, en lugar de la carga eléctrica o el espín de los electrones. Estos «valles» pueden atrapar electrones en momento lineal (no en posición), es decir, canalizan el flujo de carga. Cuando hay dos o más «valles» en la banda de conducción se pueden realizar dispositivos que controlen el flujo de carga atrapado en ellos. Se publica en Nature Materials el primer artículo que ha logrado controlar este fenómeno (la generación, transporte en distancias macroscópicas y detección de electrones «valle» de polarización) gracias a que en diamante los tiempos de relajación son grandes, unos 300 ns a una temperatura de 77 K. La clave del hallazgo es la ultrapureza del diamante utilizado (menos de 10^-13 defectos extrínsecos por cm³). Aunque la «valletrónica» acaba de nacer y no sabemos qué futuro tendrá (ni siquiera si llegará a adulta), este tipo de investigación me parece muy sugerente. Nos lo cuenta Christoph E. Nebel, «Valleytronics: Electrons dance in diamond,» Nature Materials 12: 690–691, 23 Jul 2013, que se hace eco del artículo técnico de Jan Isberg et al., «Generation, transport and detection of valley-polarized electrons in diamond,» Nature Materials 12: 760–764, 14 Jul 2013.

La electrónica de transformación basada en el control de la masa efectiva del electrón

La óptica de transformación está de moda. Tras la acústica de transformación, ahora nos proponen la electrónica de transformación. Te recuerdo, la óptica de transformación se basa en los metamateriales que permiten controlar las propiedades efectivas del índice de refracción, susceptibilidad eléctrica y permeabilidad magnética del material gracias a un diseño adecuado de su microestructura. En la electrónica de transformación la idea es controlar la masa efectiva de los electrones y huecos que se propagan en el material utilizando un diseño similar. En lugar de usar un metamaterial se utiliza una superred (superlattice) semiconductora en la que la masa efectiva de los portadores de carga presentan una fuerte anisotropía. La óptica de transformación permite el desarrollo de materiales muy exóticos como superlentes o capas de invisibilidad. En la electrónica de transformación nos proponen la fabricación de materiales en los que los electrones se comportan de forma efectiva como partículas sin masa, cuando se mueven en ciertas direcciones, lo que permitirá desarrollar dispositivos ultrarrápidos (no limitados por la movilidad de los electrones y huecos), con alta conductividad (que a baja temperatura es independiente de la temperatura) y con una respuesta no lineal fuerte. Todas estas propiedades los hacen fascinantes a la hora de desarrollar multitud de nuevos dispositivos para aplicaciones prácticas con las que ahora solo podemos soñar. Obviamente, la electrónica de transformación aún es solo una propuesta teórica, no demostrada mediante experimentos. Nos lo cuentan Mario G. Silveirinha, Nader Engheta, «Transformation Electronics: Tailoring Electron’s Effective Mass,» arXiv:1205.6325, 2012.

El futuro de la ley de Moore, el memristor y la Fórmula 1

Kimi Raikkonen ganador del Gran Premio de España 2005 conduciendo un McLaren MP4-20.

La Hoja de Ruta Internacional para la Tecnología de Semiconductores (ITRS 2010) prevee que en el año 2019, las memorias RAM dinámicas (DRAM) con canal de 16 nm tendrán una capacidad de alrededor de 46 GB/cm² (gigabytes por centímetro cuadrado) si su eficacia por unidad de área es del 100%. Las memorias ROM basadas en (nano)memristores (MROM) prometen una capacidad superior a 110 GB/cm² y 460 GB/cm² para los dispositivos  con canal de 10 y 5 nm, respectivamente. Las memorias MROM son más lentas que las DRAM, aunque estas últimas necesitan de un refresco continuo (al menos cada 16 ms). Gracias a las MROM la Ley de Moore seguirá cumpliéndose durante las próximas dos décadas. En este blog ya hemos hablado del memristor en dos ocasiones (aquí y aquí), quizás convenga recordarlo una vez más. Me basaré en el artículo de O. Kavehei et al., «The fourth element: characteristics, modelling and electromagnetic theory of the memristor,» Proceedings of the Royal Society A 466: 2175-2202, 8 August 2010 [el artículo es de acceso gratuito].

Los elementos pasivos clásicos de los circuitos eléctricos son tres: el condensador (C), la resistencia (R) y la inductancia (L), que fueron descubiertos en 1745, 1827 y 1831, respectivamente. Estos elementos relacionan entre sí las cuatro magnitudes fundamentales de la teoría de circuitos: la corriente eléctrica (I), el voltaje (V), la carga eléctrica (Q) y el flujo magnético (φ). Las leyes que rigen el comportamiento de los tres elementos pasivos son bien conocidas: V = R I para la resistencia, Q = C V para el condensador y φ = L I para la inductancia. Leon O. Chua propuso en 1971 la existencia de un cuarto elemento pasivo al que llamó memristor (M) porque era como una resistencia con memoria y cuya ley circuital sería φ = M q. En el caso lineal, este elemento se comporta como una resistencia (o una conductancia), pero en el caso no lineal el comportamiento es diferente (presenta una histéresis). Chua demostró que a partir de las leyes de Maxwell es posible deducir la existencia de un dispositivo pasivo que se comporte como un memristor, pero fue incapaz de imaginar qué tecnología sería capaz de fabricarlo. En su lugar propuso una modelo circuital del memristor basado en dispositivos activos (amplificadores operacionales) que permite simular su comportamiento como dispositivo pasivo.

En 2008 científicos de los Hewlett-Packard Labs liderados por R. Stanley Williams fabricaron mediante nanotecnología el primer memristor (y lo publicaron en Nature). En 1995 HP decidió crear un grupo de investigación básica para desarrollar proyectos a largo plazo y puso a Williams a su cargo con «carta blanca» para trabajar en cualquier tema que quisiera. Se creía entonces que el límite físico último para la tecnología de los transistores era un canal de 0’35 μm (350 nm). Williams decidió utilizar la manipulación de átomos mediante microscopios de barrido por efecto túnel (STM) para diseñar dispositivos 100 veces más pequeños (0’3 nm). Parecía algo ridículo, imposible, pero tenía «carta blanca» y tenía que pensar a lo grande. Más de cien científicos e ingenieros han pasado por el laboratorio a su cargo. Sus primeros dispositivos, fabricados manipulando átomo a átomo, se comportaban de forma extraña y no parecía que fueran a tener ninguna utilidad práctica. Además, no conocían ningún modelo físico que permitiera describir sus propiedades. En 2002 tenían algo que funcionaba, pero no entendían por qué ni para qué podría servir. Su colaborador Greg Snider le dijo a Williams en 2002 que la histéresis del diagrama corriente-voltaje de su «dispositivo» se parecía a la del memristor de Chua y le retó: ¿por qué no fabricas un memristor? Dos años le costó a Williams entender la relación entre el «oscuro» artículo de Chua y su dispositivo. Williams recuerda que el 20 de agosto de 2006 resolvió las dos ecuaciones más importantes de su carrera, las que demuestran que su dispositivo era el memristor de Chua. Un mes más tarde ya eran capaces de controlar sus dispositivos y cambiar a voluntad sus propiedades. El camino hacia un memristor con 4 nm de ancho estaba allanado y la gloria sonreía a Williams. La historia del memristor, el eslabón perdido de la teoría de circuitos, es apasionante. Te recomiendo la lectura del artículo de R. Stanley Williams, «How We Found the Missing Memristor,» Cover paper, IEEE Spectrum, December 2008.

Los memristores tienen propiedades muy curiosas como también ocurre con otros elementos no lineales. Por ejemplo, funcionan mejor bajo cierto nivel de ruido. Alexander Stotland y Massimiliano Di Ventra, ambos de la Universidad de California en San Diego, han estudiado los efectos del ruido sobre la dinámica de los memristores. Su conclusión es sorprendente: los memristores son inmunes a muchos tipos de ruido y, además, su memoria mejora con cierto nivel de ruido. Este fenómeno es análogo a la resonancia estocástica: cierto nivel de ruido mejora la sensibilidad de ciertos sistemas en lugar de degradarla. La fuente de ruido más natural en un dispositivo electrónico es debido a la temperatura (ruido térmico). Nos lo ha contado KFC, «Next Generation Memories Will Be Improved By Noise,» arXiv blog, 27 abr. 2011, haciéndose eco del artículo técnico de Alexander Stotland, Massimiliano Di Ventra, «Stochastic memory: getting memory out of noise,» ArXiv, 22 Apr 2011.

¿Qué tiene que ver el memristor con la Fórmula 1? En 1972, G. F. Oster y D. M. Auslander propusieron que podría existir un análogo mecánico al memristor. Nadie ha sido capaz de fabricarlo, sin embargo, muchos lo han intentado. La búsqueda de elementos mecánicos equivalentes a los elementos circuitales tuvo un avance reciente en 2009 cuando Michael Z. Q. Chen et al. propusieron que un nuevo componente de suspensión mecánica inventado por el equipo McLaren de Fórmula 1, llamado J-damper, era un inertor. Kimi Raikkonen utilizó por primera vez el J-damper en su McLaren MP4-20 en el Gran Premio de España de 2005, donde logró una victoria aplastante. En McLaren le llamaron J-damper para despistar a los demás equipos, ya que la «J» no significa nada y no es un amortiguador (damper). El objetivo era mantener esta tecnología en secreto. Pero el espionaje del equipo Renault logró descubrir el secreto del J-damper en 2007 (noticia en la FIA). Gracias a los pocos datos publicados en la prensa automovilística sobre su funcionamiento Chen et al. propusieron que se trataba de un inertor. Os recuerdo la analogía entre circuitos eléctricos y sistemas mecánicos: muelle ↔ inductancia, amortiguador ↔ resistencia y masa ↔ condensador (pero con un terminal conectado a tierra). Un elemento circuital tipo condensador con ningún terminal conectado a tierra no tiene análogo mecánico. Malcolm Smith propuso en 2002 un elemento de este tipo, con dos terminales de tal forma que la fuerza aplicada a dichos terminales es proporcional a la aceleración relativa entre ellos. Smith introdujo el término «inertor» para este dispositivo.

El inertor ha sido encontrado pero el equivalente mecánico del memristor todavía se encuentra en la agenda de los investigadores. ¿Será descubierto por un equipo de Fórmula 1? Quizás el coche de carreras que posea este tesoro será el ganador de todos los grandes premios (hasta que los espías desvelen de nuevo su secreto o la FIA tome cartas en el asunto).

XII Carnaval de la Física: Un sencillo experimento para ver la radiación emitida por un teléfono móvil gracias a un diodo LED

La ley de inducción de Faraday permite visualizar la radiación emitida por un teléfono móvil mediante un diodo LED usando una antena casera. Solo es necesario un bucle cuadrado de hilo de cobre de 7’5 cm de lado, un diodo LED y un diodo de germanio soldados en serie. Al acercar un móvil se encenderá el piloto LED cada vez que éste envíe una señal a la antena más próxima, se envíe un mensaje de texto o se realice una llamada. La luminosidad del LED dependerá de la cantidad de datos enviados (con una llamada de voz luce al máximo, pero recuerda usar un número de teléfono gratuito). Acoplando un pequeño altavoz (no utilizar auriculares) es posible oír chasquidos cuando se enciende el LED. Más fácil imposible. El dispositivo puede ser utilizado por los profesores para chequear que los móviles de sus alumnos estén apagados durante un examen sin necesidad de molestarles. Nos propone este sencillo experimento de física Jonathan Hare (Universidad de Sussex, Brighton, GB), «A simple demonstration for exploring the radio waves generated by a mobile phone,» Physics Education 45: 481-486, 5 Sep. 2010 [artículo gratis para todos]. Los ingenieros electrónicos y de telecomunicaciones seguramente querrán añadir un amplificador a la antena (así no hay que acercar el móvil tanto a la antena); Jonathan nos explica los detalles en su web «Mobile Phone Absorption Wavemeter.» 

La física de esta antena es sencilla. Una onda producida por el móvil induce un campo electromagnético que pone a oscilar a los electrones de la antena (hilo cuadrado) produciendo una pequeña corriente alterna capaz de encender el diodo LED. El segundo diodo es necesario para reducir la capacitancia en el circuito y mantener los electrones resonando en la antena ya que los diodos LED suelen tener una capacitancia mucho mayor que los diodos de germanio. Recuerda que la capacitancia efectiva de dos capacitancias en serie es menor que la menor de ellas. La resonancia de la antena requiere una capacitancia muy baja.

¿Qué longitud debe tener el circuito de hilo? Una longitud igual a la longitud de onda de la señal emitida. En Europa los móviles utilizan frecuencias de 900 MHz (para 3G se usan 1800 MHz). La longitud de onda es el cociente entre la velocidad y la frecuencia. Dividiendo la velocidad de la luz en m/s entre la frecuencia en MHz resulta que la longitud de onda es 300/f, que para f≈1000 MHz resulta en una longitud de onda de 0’3 m = 30 cm, que en forma de cuadrado nos da un lado de 30/4 = 7’5 cm. Si tienes un móvil 3G te conviene usar un cuadrado más pequeño con un lado de 3’7 cm.  

En la figura que abre esta entrada se ha utilizado un cuadrado de hilo de cobre de 30 cm de longitud (7’5 cm de radio) cuyos dos extremos se han conectado en serie a un diodo LED (Maplin Electronics: UF72P; Rapid Electronics: 55-0085) y a un diodo de germanio (Maplin Electronics: QH71N; RapidElectronics: 47-3114). Hay que tener cuidado con las polarizaciones de los dos diodos hay que conectar ánodo con cátodo (no vale cátodo con cátodo o ánodo con ánodo). Recuerda que en un LED la patilla más largo corresponde al ánodo, polo positivo, y el más corto al cátodo, polo negativo; en un diodo de germanio hay dibujada una banda (línea) de color (gris o blanca) cerca de un extremo que indica el cátodo. En la fotografía ambos lados del hilo de alambre se han unido con una pieza de plástico (aislante naranja) para darle rigidez (si no lo vas a usar muchas veces no la necesitas).

Si te atreves a desarrollar este experimento en tu casa (o si eres profesor delante de tus alumnos) debes recordar que durante las pruebas ante tus alumnos conviene apagar el móvil y volverlo a encender, lo que te asegura que el móvil busque red y emita señales; también puedes realizar una llamada a un número gratuito. También conviene recordar que el teléfono móvil emite ondas polarizadas por lo que la resonancia es más fuerte si su orientación es la correcta (y el LED brillará más). Como no sabrás dónde está la antena dentro del móvil (salvo que sea un aparato antiguo), conviene jugar un poco y rotar el móvil hasta que el LED brille al máximo. Basta jugar un poco para encontrar la orientación adecuada.

Ánimo, pruébalo, es muy fácil de construir y tus alumnos disfrutarán como críos.

Si te ha gustado esta entrada recuerda que Francis organiza la XII Edición del Carnaval de la Física. Tú también puedes contribuir al Carnaval con tu granito de arena. Para participar no hace falta tener un blog, puedes darte de alta en la web del Carnaval de la Física y publicar tu entrada allí. Por supuesto, a los que tenéis un blog lo más fácil es publicarla en vuestro propio blog. El formato de la entrada es libre: desde un elaborado artículo científico a una simple imagen, pasando por el comentario de una película, la descripción de un experimento casero, un podcast o un vídeo. La única condición es que trate sobre la física en cualquiera de sus aspectos.

Nanotransistores ultrarrápidos basados en grafeno

El grafeno es una lámina plana de átomos de carbono de solo un átomo de grosor. El grafeno tiene gran potencial como nuevo material (nano)electrónico gracias a la alta movibilidad de sus electrones. Su gran problema en las aplicaciones electrónicas de alta velocidad es lo fácil que se degrada, lo que penaliza el rendimiento de los dispositivos que lo utilizan. Se publica en Nature un nuevo método de fabricación que evita la degradación: consiste en colocar encima del grafeno nanohilos con un núcleo metálico (Co₂Si) y un envoltorio aislante (Al₂O₃).  Estos nanohilos pueden actuar como terminal de puerta (G) en un transistor basado en grafeno en cuyos extremos se encuentra la fuente (S) y el drenador (D). La figura ilustra el dispositivo. Los nuevos transistores de grafeno tienen una longitud de canal de solo 140 nm (nanómetros) o 0’14 μm, capaces de funcionar a una frecuencia de corte entre 100–300 GHz, solo limitada por la capacitancia parásita del substrato. Esta frecuencia es comparable a la de los mejores transistores de alta movilidad electrónica del mercado que tienen longitudes de canal similares. El resultado es un transistor ultrarrápido cuya velocidad es similar a la de los mejores dispositivos existentes de tamaño similar. El artículo técnico con los detalles es Lei Liao et al., «High-speed graphene transistors with a self-aligned nanowire gate,» Nature 467: 305–308, 16 September 2010. La información suplementaria incluye el modelo equivalente del nuevo dispositivo, que permite su inclusión en simuladores de circuitos (como SPICE), lo que será de interés para alumnos de ingeniería eléctrica con ganas de realizar un proyecto fin de carrera en lo último de lo último.

El futuro de los discos duros para ordenadores portátiles

Cuando parecía que el disco duro tenía sus días contados, debido a la gran rebaja en los precios de las memorias de estado sólido tipo flash, de menor consumo y mayor velocidad, los físicos de estado sólido descubren una manera de controlar la dirección de magnetización en un sólido utilizando directamente un campo eléctrico (en los discos duros se require que la corriente eléctrica genere un campo magnético que controla dicha inversión). De esta forma se obtienen discos duros de menor consumo de potencia y más rápidos, los competidores ideales para las nuevas memorias de estado sólido.

El descubrimiento se publica hoy en Nature por D. Chiba et al. «Magnetization vector manipulation by electric fields,» Nature, 455: 515-518 ( 2008 ), comentado en el mismo número por Eiji Saitoh, «Solid-state physics: New order for magnetism,» Nature, 455: 474-475 ( 2008 ).

Un material imantable está formado por pequeños imanes a escala atómica (espines) que cuando se aplica un campo magnético externo se alinean en la dirección del campo (rotan sus espines). En los imanes esta rotación se puede hacer permanente. En los discos duros se utiliza este proceso para almacenar información binaria (1 y 0) a base de imantar en dos direcciones opuestas pequeñas regiones de su superficie magnética. Para ello, se aplica un campo eléctrico a un electroimán y éste es el que cambia la dirección del campo magnético del punto magnético del disco. Este proceso «indirecto» consume energía e introduce cierto retraso. La alternativa ideal sería que la corriente eléctrica directamente cambiara la dirección de los imanes sin electroimán intermedio. Eso es lo que han logrado el japonés Chiba y sus colaboradores.

El secreto es un fenómeno físico llamado anisotropía magnética: al  polarizar el espín de los electrones de la corriente eléctrica inyectada en el material, ésta es capaz de reorientar los espines del material (si su estructura electrónica es la adecuada, claro). Chiba et al. modulan la densidad de electrones usando un dispositivo MOS (metal-óxido-semiconductor) utilizando para éste último una película de (Ga,Mn)As que tiene propiedades ferromagnéticas a baja temperatura. Cuando se aplica un voltaje negativo en la puerta (gate, el metal) los portadores de carga positiva en el semiconductor (huecos) son atraídos hacia el electrodo. Por el contrario, al aplicar un voltaje positivo, el número de huecos cerca de la puerta decrece. Esta propiedad permite que la densidad de huecos y con ella la anisotropía magnética de la película de (Ga,Mn)As pueda ser controlada eléctricamente resultando en un cambio en la dirección de magnetización.

La tecnología utilizada por los investigadores japoneses es muy similar a la utilizada actualmente en la fabricación de discos duros, por lo que es de esperar que en pocos años tengamos en el mercado toda una nueva generación de discos duros de bajo de consumo.

Circuitos electrónicos flexibles (o el corcho y el papel de nanotubos)

La figura muestra (A) el proceso de fabricación de circuitos CMOS ultrafinos que utilizan nanotiras (nanoribbons) de silicio de gran flexibilidad ante dobleces y que se pueden estirar/comprimir recuperando su forma original. (B to D) Fotografías de algunos de los circuitos fabricadods. En (B) aparece un recuadro (inferior derecha) que muestra un único inversor CMOS. Estos circuitos se pueden (C) enrollar y (D) arrugar sin alterar su funcionamiento. El trabajo se ha publicado en Dae-Hyeong Kim et al. «Stretchable and Foldable Silicon Integrated Circuits,» Science, Vol. 320. no. 5875, pp. 507-511, 25 April 2008.

La electrónica flexible antes de este trabajo utilizaba materiales orgánicos conductores, pero su rendimiento es mucho peor que la electrónica obtenida con materiales inorgánicos. En este trabajo se ha desarrollado por primera vez una manera de combinar nanotiras de silicio con un sutrato flexible de goma o plástico que permite crear circuitos electrónicos robustos, flexibles y «doblables» sin sacrificar el rendimiento de la electrónica convencional. La característica más interesante de estos nuevos circuitos flexibles es que la propia circuitería electrónica prácticamente no sufre los esfuerzos provocados por el doblado o estiramiento, que se concentran en el substrato flexible, por ello el rendimiento electrónico no se ve afectado.

El corcho tiene propiedades muy curiosas. Por ejemplo, cuando se estira o comprime en la dirección axial, cambio muy poco en su dirección radial, es decir, tiene un coeficiente de Poisson próximo a cero. La mayoría de los materiales tienen un coeficiente de Poisson positivo, aunque algunos también tiene un coeficiente negativo, como ciertas espumas de polímeros que se expanden lateralmente cuando son estiradas. El artículo de Lee J. Hall et al. «Sign Change of Poisson’s Ratio for Carbon Nanotube Sheets,» Science, Vol. 320. no. 5874, pp. 504-507, 25 April 2008, describe la creación de un material parecido al papel formado por una mezcla de nanotubos, tanto monocapa como multicapa. Variando la fracción de nanotubos multicapa logran controlar el coeficiente de Poisson del material resultante, pasando de un valor positivo a uno negativo, incluyendo la posibilidad de un valor nulo. El nuevo material de la familia de los «papeles de nanotubos» (buckypaper) tendrá importantes aplicaciones prácticas en el desarrollo de nuevos materiales compuestos (composites) para formar hojas planas, músculos artificiales, y sensores mecánicos y químicos.