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

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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.

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Tan fácil como tocar y pegar o cómo depositar capas monoatómicas de grafeno sobre silicio y óxido de silicio utilizando cobre

Finas capas monoatómicas de grafeno depositadas químicamente sobre cobre (tras el primer minuto). (C) Science

Finas capas monoatómicas de grafeno depositadas químicamente sobre cobre (tras el primer minuto). (C) Science

El grafeno es fácil de fabricar, basta “rascar” grafito de la mina de un lápiz. Otro asunto muy distinto es depositar una capa monoatómica de grafeno sobre un substrato. Muchos grupos de investigación están trabajando en técnicas de deposición de grafeno sobre obleas de silicio. Los avances son constantes. Hoy se publica en Science Express una técnica que permite depositar películas de grafeno de varios centímetros cuadrados sobre substratos de cobre (mediante deposición química en fase de vapor usando metano). Más del 95% del grafeno depositado es monoatómico. Estas finas películas se pueden transferir a un substrato de Si/SiO2 por contacto directo. Tan fácil como contarlo. La gran ventaja del grafeno es su altísima velocidad. Con la nueva técnica los electrones en el grafeno alcanzan una mobilidad de hasta 4300 cm2V-1s-1 a temperatura ambiente. El avance lo han obtenido físicos tejanos. El artículo técnico es Xuesong Li et al. “Large-Area Synthesis of High-Quality and Uniform Graphene Films on Copper Foils,” Science Express, Published Online May 7, 2009 . Muchos se han hecho eco del mismo, como “Faster Computers, Electronic Devices Possible After Scientists Create Large-area Graphene On Copper,” ScienceDaily, May 7, 2009 , o “Lage-area graphene films on copper step towards faster computers,” Nanowerk News, May 7, 2009 .  

Rod (Rodney S.) Ruoff, coautor del artículo, nos recuerda que “el grafeno permitirá ordenadores más rápidos, con un menor consumo, nuevas células solares fotovoltaicas para producción de electricidad, nuevos dispositivos de comunicaciones de muy alta frecuencia, y nuevas tecnologías para pantallas planas de TV.” Rod se ha quedado sin aire. El grafeno sirve para todo, pero su mayor ventaja ya la contamos en este blog, se pega muy bien sobre silicio u óxido de silicio, materiales ampliamente utilizados en la industria microelectrónica actual. El grafeno es el paso intermedio ideal hacia la nanoelectrónica: capas monoatómicas (de menos de un nanómetro de espesor) trabajando de la mano con dispositivos y estructuras semiconductoras convencionales (con la tecnología de 0.12 micras son estructuras 250 veces más gruesas).

Dibujo20090507_graphene_nanoribbon_FET_transistorYa se fabrican en laboratorio transistores de efecto de campo (tipo FET) que utilizan grafeno. Todo sería más fácil si se pudiera dopar el grafeno como se hace con el silicio para obtener materiales semiconductores dadores (tipo n) y aceptores (tipo p) de electrones. Ya se sabía que las nanotiras de grafeno (de sólo unas decenas de nanómetros de anchura) a temperatura ambiente adsorben (se adhieren) moléculas aceptoras de electrones (tipo p). Hoy se publica en Science un artículo que muestra que al calentar estas nanotiras de grafeno en una atmósfera con amoniaco, el nitrógeno se incorpora al grafeno (pegándose literalmente a su borde) convirtiéndolo en un material dador de electrones (tipo n). Moléculas que se pegan a los bordes de la nanotira de grafeno y que alteran sus propiedades. Más aún, de esta forma se pueden obtener grafeno (dopado) tipo p y tipo n de una manera sencilla y efectiva, lo que facilitará el desarrollo de nuevos tipos de transistores y dispositivos nanoelectrónicos. La ciencia y técnica del grafeno avanzando a pasos agigantados. Lo que está de moda, ya se sabe, está de moda. El artículo técnico es Xinran Wang et al. “N-Doping of Graphene Through Electrothermal Reactions with Ammonia,” Science, 324: 768-771, 8 May 2009 .

Más sobre grafeno en este blog:

La meteórica carrera de Tomás Palacios y el transistor de grafeno ultrarrápido (Publicado por emulenews en Mayo 4, 2009)

Nanotransistores con canal de nanotubos para los ordenadores del futuro (Publicado por emulenews en Mayo 29, 2008)

El grafeno, la panacea de la nanoelectrónica (Publicado por emulenews en Marzo 27, 2009)

Desenrollando nanotubos de carbono multicapa en nanoláminas de grafeno (o cuando una imagen vale más que mil palabras) (Publicado por emulenews en Abril 16, 2009)

La meteórica carrera de Tomás Palacios y el transistor de grafeno ultrarrápido

dibujo20090504_tomas_palacios_mitEn España la fuga de cerebros sigue siendo una realidad. Aunque nos pese. El mejor ejemplo reciente es Tomás Palacios (el CiberPaís le ha dedicado una entrevista a toda  página). En España hubiera sido imposible, absolutamente imposible, que un joven (casi un niño) ingeniero de telecomunicaciones (acabó la carrera en 2001) haya obtenido la tesis doctoral y sea investigador principal de un grupo con 5 estudiantes de doctorado, 1 postdoc y hasta secretaria (según la web, en El País pone que son 12), atesorando más de 70 artículos en revistas internacionales y congresos internacionales. 

Posiblemente Tomás lo supiera y por eso se fue a la Universidad de California – Santa Barbara (UCSB) a estudiar Ingeniería Eléctrica, cuyo M.S. acabó en 2004. Siendo ingeniero estudiar de nuevo una ingeniería parece una tontería. Pero claro, siendo ya ingeniero la nueva ingeniería se estudia de manera diferente. Por ello en 2006 ya era Doctor en Ingeniería Eléctrica pora la UCSB. Y en EEUU está mal vista la endogamia, al contrario que en España. Así que Tomás se fue a, posiblemente, la mejor universidad tecnológica del mundo, el M.I.T. (Instituto Tecnológico de Massachusetts) como Assistant Professor (lo que en España sería similar a un Profesor Contratado Doctor). ¡Increíble! Se lo merece. ¡Bravo por Tomás!

Ya apuntaba buenas maneras siendo estudiante. En 1997 empezó a colaborar con el Instituto de Sistemas Optoelectrónicos y Microtecnología de la Universidad Politécnica de Madrid, donde seguramente le recomendarían que se fuera fuera de España. Y se fue, antes de acabar teleco, estuvo en 2000, en el Grupo de Microelectrónica del mismísimo CERN, en Génova. Así que cuando emigró a EEUU para estudiar un M.S. en UCSB se incorporó a un grupo de investigación, en concreto el del Prof. Mishra, nada más empezar, no está nada mal. Una carrera meteórica, sin lugar a dudas.

Tomás ha ganado muchos premios, pero destacaré sólo uno el Premio Salvà i Campillo, Nit de las Telecomunicacions, de 2003 con su trabajo “Desarrollo de nuevos dispositivos electrónicos y optoelectrónicos basados en nitruros” (premiado en la categoría de ingeniero novel).

Volviendo al grano, en el CiberPaís, Laia Reventós (30/04/2009) nos titula “Llega el ‘chip’ de grafeno,” y nos aclara

“El español Tomás Palacios, profesor del MIT, consigue fabricar transistores de grafeno 10 veces más rápidos que los de silicio. Los ‘chips’ del revolucionario material, de un átomo de espesor, podrían alcanzar velocidades de mil GHz.”

dibujo20090504_nanotube_graphene_google_trends_analyticsYa hemos hablado en este blog del grafeno, descubierto en 2004. Hace menos de 1 año se ha convertido en sustituto aclamado por todos para el silicio, ya que los nanotubos de carbono no lo han logrado (no es fácil “pegar” nanotubos y silicio o arseniuro de galio, pero es muy fácil hacerlo con grafeno). Una sola capa atómica de carbono con propiedades entre semiconductor y metal que permite desarrollar dispositivos microelectrónicos como transistores. Hace un lustro, pura ciencia ficción.

El logro estrella de nuestro compatriota Tomás Palacios ha sido la fabricación de transistores de efecto de campo de grafeno (el transistor G-FET o  Graphene Field-Effect Transistor, donde se utiliza grafeno como drenador). Para los que no sepan los que un transistor FET la wiki es una ayuda. ¿Qué ventaja tiene el grafeno? Como el grafeno es una capa monoatómica, los electrones tienen un altísima movilidad, lo que permite obtener un transistor ultrarrápido. Con el silicio se logran unos 100 GHz de velocidad, valor que se mejora con arseniuro de galio y otras tierras raras, pero “pegando” mal con el silicio. Usando transistores de grafeno se alcanzá un terahercio (1 THz) “pegando” estupendamente con silicio. El artículo técnico es H. Wang, D. Nezich, J. Kong, T. Palacios, “Graphene Frequency Multipliers,” IEEE Electron Device Letters 30: 547-549, May 2009 . Para los que sois ingenieros de telecomunicaciones o electrónicos, el artículo merece que os molestéis en leerlo: la idea es extremadamente simple. La genialidad de Tomás queda demostrada… un artículo que cualquiera puede entender… un trabajo que cualquiera puede imitar… pero él ha sido el primero.

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¿Qué aplicaciones tendrá el trabajo de Tomás? Muchas, por ejemplo, multiplicadores de frecuencia para comunicaciones inalámbricas. ¿Qué aplicaciones tendrá la microelectrónica con grafeno? Infinitas. Bueno, nadie lo sabe realmente, pero muchas veces claman a que la microelectrónica con silicio y grafeno será la que permitirá la transición hasta la futura nanoelectrónica (posiblemente sólo con carbono, sea grafeno, grafano, nanotubos de carbono u otra maravilla “carbónica” por descubrir).

En palabras del propio Tomás “El grafeno es un material increíble. No sólo revoluciona la electrónica, la informática y las comunicaciones, sino que está cambiando la manera en la que se estudia la física”.

¿Será Tomás Palacios el primer Nobel de Física para un español? Es pronto para saberlo, pero con su juventud y buenas ideas se convertirá en uno de los grandes “cerebros” españoles fugados. A mí el caso de Tomás Palacios me recuerda mucho al de Wolfgang Ketterle (también en MIT), valgan las distancias, claro está. ¿Quién es Ketterle? ¿De verdad me lo preguntas? Busca en la wiki. Bueno, no seré malo, sólo es un alemán que emigró a EEUU con su mujer y dos niños (siendo ya con 30 años catedrático en Alemania), cambió radicalmente de tema de investigación y ahora es Premio Nobel de Física. Pecata minuta. 

Otras entradas en este blog relacionadas con ésta:

Nanotransistores con canal de nanotubos para los ordenadores del futuro(Publicado por emulenews en Mayo 29, 2008).

El grafeno, la panacea de la nanoelectrónica (Publicado por emulenews en Marzo 27, 2009).

Desenrollando nanotubos de carbono multicapa en nanoláminas de grafeno (o cuando una imagen vale más que mil palabras) (Publicado por emulenews en Abril 16, 2009).

Nanotransistores con canal de nanotubos para los ordenadores del futuro

La mayoría de los ordenadores actuales utilizan microprocesadores con tecnología basada en transistores de efecto de campo FET de tipo MOS (metal-óxido-semiconductor). La tecnología microelectrónica más utilizada en la actualidad es la CMOS. El parámetro característico de un transistor MOS es la longitud del canal. Hasta hace poco se pensaba que era imposible bajar de una 1 micra para la longitud del canal, pero actualmente es fácil encontrar procesadores (los últimos de Intel) con 0,13 y hasta 0,08 micras (unos 80 nanómetros). La cuestión es, ¿se puede fabricar un transistor con una longitud de canal de pocos nanómetros? La física del estado sólido estándar no lo permite (requiere que por el canal pase un flujo de miles de electrones). Sin embargo, la nanotecnología ofrece varias posibilidades, siendo la más prometedora los transistores de nanotubos. Xinran Wang et al. “Room-Temperature All-Semiconducting Sub-10-nm Graphene Nanoribbon Field-Effect Transistors,” Phys. Rev. Lett. 100, 206803 ( 2008 ), presentan los transistores de efecto de campo basados en canal de nanotubos de menos de 10 nanómetros (sí, 0,01 micras), que tienen bastantes ventajas respecto a otros nanotransistores basados en nanotubos permitiendo todo tipo de dispositivos semiconductores. La tecnología GNFET dará bastante que hablar en el futuro.

Los transistores de efecto de campo FET basados en tecnología del grafeno son una de las tecnologías más prometedoras a la hora de sustituir a los transistores FET de los procesadores actuales. Los autores del artículo, por primera vez, han logrado fabricar con esta tecnología transistores con longitud de canal menor de 10 nm. La figura de abajo muestra la gran linealidad de las curvas de caracterización de estos nuevos transistores. La fabricación masiva de este tipo de transistores tardará unos años en llegar pero por ahora se encuentran entre las tecnologías más prometedoras.