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Crean un transistor molecular que funciona según la
mecánica cuántica
Utiliza la función de onda de los electrones para regular el paso de la corriente
Físicos norteamericanos han creado una molécula capaz de actuar como un transistor. El
transistor molecular se llama Quantum Interference Effect Transistor (QuIET) y está
construido sobre una molécula de benceno que regula el paso de la corriente valiéndose de la
combinación de ondas de los electrones. El nuevo transistor permitirá la construcción de
ordenadores mucho más pequeños y potentes, así como será útil para múltiples aplicaciones
nanotecnológicas. Por Yaiza Martínez.
Un equipo de físicos de la Universidad de Arizona, en Estados Unidos, ha descubierto cómo
convertir moléculas individuales en transistores operativos. Su descubrimiento serviría para la
elaboración de una nueva generación de ordenadores, mucho más pequeños y potentes, así
como para aplicaciones nanotecnológicas.
Según publica la universidad de Arizona en un comunicado, los investigadores ya han puesto
en marcha la patente del llamado Quantum Interference Effect Transistor o “QuIET”. Más
información acerca del transistor molecular ha sido publicada por los autores en la revista online de la American Chemical Society, Nano Letters.
Un transistor, cuyo nombre proviene de la contracción de transfer resistor o resistencia de
transferencia, es un dispositivo electrónico semiconductor que enciende y apaga las corrientes
eléctricas “levantando o bajando” barreras electrónicas que las bloquean o permiten, como si
fuera una llave de agua. Toda la electrónica moderna utiliza transistores: en radios,
televisores, microondas, etc.
En la actualidad, la industria ha llegado a fabricar transistores de hasta 65 nanómetros de
tamaño (un nanómetro es la billonésima parte de un metro), pero los físicos de la Universidad
de Arizona aspiran a fabricarlos de tan sólo un nanómetro.
Solución cuántica
Los inventores Charles Stafford, David Cardamone y Sumit Mazumdar señalan que los
transistores actuales regulan las corrientes eléctricas levantando o bajando una barrera
energética que permite o evita los flujos de la electricidad, pero que no pueden encogerse más
allá de los 25 nanómetros porque a esa escala cualquier problema energético sería irresoluble.
Hace tres años, los científicos se pusieron a trabajar acerca de la tecnología de los transistores
y los problemas a los que se enfrentaba la próxima generación de ellos. Se dieron cuenta de
que la mecánica cuántica podía resolver el problema de cómo regular el flujo de corriente en
un transistor formado por una sola molécula que podría trabajar a temperatura ambiente, sin
tener que levantar ni bajar “barreras electrónicas”.
Se trata de un sistema más delicado que el de colocar una “pared” para que se detenga la
corriente. Consiste en regular la combinación de la función de ondas de los electrones, para
encender o apagar el transistor. La molécula más simple que los científicos han propuesto para
fabricar el QuIET es la del benceno, una molécula con forma de anillo (anillo bencénico). Esta
molécula está formada por seis átomos de hidrógeno y seis de carbono, agrupados gracias a
un enlace covalente, es decir, entre dos elementos no metales.
Nuevas pistas
Tal como se explica en el comunicado de la Universidad de Arizona, lo que los científicos han
descubierto es cómo acoplar dos pistas eléctricas al anillo bencénico para crear dos vías
alternativas por las que podría fluir la corriente. Asimismo, han añadido una tercera pista
opuesta a una de las otras dos. Otros investigadores han conseguido acoplar dos contactos a
una molécula así de pequeña, pero en esta tercera pista estaría la clave, porque sería la forma
de encender y apagar los flujos de corriente.
Las dos primeras corrientes, al pasar a través de cada parte del anillo, simplemente se suman,
según la física clásica. En la mecánica cuántica, sin embargo, las ondas de los dos electrones
interfieren la una con la otra destructivamente, por lo que la corriente no pasa. Se produce
entonces el estado apagado del transistor.
El transistor se enciende modificando la fase de las ondas de manera que no se interfieran.
Esto se consigue abriendo una vía adicional a través de la tercera pista. Gracias a cálculos
químicos cuánticos, los científicos llegaron a la solución en unas pocas semanas: podían
conseguir que las interacciones entre los electrones fueran distintas gracias a esa tercera vía.
Antecedentes
No es la primera vez que se habla de la creación de transistores moleculares. Investigadores
del Instituto Nacional para Nanotecnología de la Universidad de Alberta anuciaron el año
pasado que habían desarrollado el primer transistor molecular, que permite activar y
desactivar el flujo de corriente eléctrica.
El artífice principal de este descubrimiento, Robert Wolkow, demostró que un átomo en una
superficie de silicio puede ser cargado y descargado, mientras los átomos circundantes
permanecen neutrales.
Resumen:
El transistor es la unidad fundamental de la que
están hechos los chips modernos. Gracias a ellos
se puede controlar el flujo de electrones de un
lado a otro, amplifican las señales que les llegan
o controlan los bits de información almacenados.
Sin embargo, el rendimiento de los ordenadores
modernos se ve limitado por los transistores de
Concepción artística del transistor óptico
semiconductores que se emplean en las CPU. En
molecular. Foto: Robert Lettow.
ella hay millones de ellos que terminan
produciendo gran cantidad de calor. Un chip de un centímetro cuadrado que forme la CPU de
un ordenador comercial disipa 125 vatios de potencia en forma de calor.
Desde hace muchos años se especula con la posibilidad de utilizar circuitos fotónicos en lugar
de electrónicos, circuitos que usen fotones en lugar de electrones para realizar las operaciones
elementales. Entre sus ventajas estaría la menor disipación de calor que producirían y su alta
transferencia de datos.
Hace tiempo ya se lograron crear transistores óptico que controlaban haces láser en lugar de
corrientes eléctricas, pero la industria microelectrónica ha evolucionado tanto que ha dejado a
esos dispositivos en ridículo. Si un transistor óptico quiere competir con los tradicionales debe
de ser muy bueno.
Aunque gran parte de las comunicaciones se hacen ahora a través de cables de fibra óptica su
control emisión y recepción se hace con circuitos electrónicos que crean cuellos de botella a la
transmisión de datos, y la creación de sistemas totalmente fotónicos está todavía lejos. Según
explica Vahid Sandoghdar, de ETH Zurich, se podría comparar el estado actual de esta
tecnología con el estado de la tecnología electrónica basada en tubos de vacío de hace
décadas.
Si queremos circuitos fotónicos que compitan con los tradicionales deben de contener
transistores muy pequeños. Y nada más pequeño que una molécula. Este grupo de científicos
ha conseguido un logro en este campo al crear el primer transistor basado en una sola
molécula.
Su funcionamiento se basa en que el estado energético de la molécula está cuantizado, si un
haz láser incide sobre ellas la molécula pasa de su estado fundamental de energía a otro
excitado absorbiendo energía del haz. Luego es posible liberar esta energía absorbida cuando
se incide con otro haz en un proceso de emisión estimulada similar a la que están basados los
láseres. Como resultado se produce una amplificación luminosa.
Jaesuk Hwang, también participante en el proyecto, dice que esta amplificación estimulada en
láseres se da con un número enorme de moléculas, pero en este caso es sobre una sola
molécula. En este caso se aprovechan, además, de que a bajas temperaturas las moléculas
parecen aumentar su superficie aparente cuando interaccionan con la luz. Tuvieron que enfriar
el
sistema
experimental
a
un
grado
por
encima
del
cero
absoluto.
Usando un láser para preparar el estado cuántico de una sola molécula de manera controlada,
estos científicos pueden amplificar o atenuar un segundo haz láser. Como se ve, este método
de modulación es el mismo que el de un transistor convencional, en el que una corriente
eléctrica de entradas es modulada por otra.
Este tipo de componente podría también ayudar a conseguir la computación cuántica. Según
Sandoghdar harán falta mucho años hasta que los fotones reemplacen a los electrones en los
circuitos, pero mientras tanto los científicos podrán aprender a manipular y controlar sistemas
cuánticos, llevándonos cerca del sueño del computador cuántico.