Un diseño con grafeno promete revolucionar la creación y fabricación de microprocesadores

Científicos del Instituto de Tecnología de Georgia han desarrollado una nueva plataforma nanoelectrónica que sustituye el silicio por el grafeno, una única lámina de átomos de carbono. La tecnología es compatible con la fabricación de microelectrónica convencional, una necesidad para cualquier alternativa viable al silicio, según Walter de Heer, catedrático de la Facultad de Física y autor principal de la investigación.

Una búsqueda apremiante en el campo de la nanoelectrónica es la de un material que pueda sustituir al silicio. El grafeno ha parecido prometedor durante décadas. Pero su potencial se ha tambaleado por el camino, debido a los perjudiciales métodos de procesamiento y a la falta de un nuevo paradigma electrónico que lo adopte. Con el silicio casi al límite de su capacidad para dar cabida a una computación más rápida, la próxima gran plataforma nanoelectrónica es más necesaria ahora que nunca.

En el curso de su investigación, publicada en Nature Communications, el equipo de Georgia Tech podría haber descubierto también una nueva cuasipartícula. Su descubrimiento podría conducir a la fabricación de chips informáticos más pequeños, rápidos, eficientes y sostenibles, y tiene implicaciones potenciales para la computación cuántica y de alto rendimiento.

”El poder del grafeno reside en su estructura plana bidimensional, unida por los enlaces químicos más fuertes conocidos”, explica de Heer en un comunicado. “Desde el principio quedó claro que el grafeno se puede miniaturizar mucho más que el silicio: permite crear dispositivos mucho más pequeños que funcionan a mayor velocidad y producen mucho menos calor. Esto significa que, en principio, se pueden empaquetar más dispositivos en un solo chip de grafeno que con silicio”.

En 2001, de Heer propuso una forma alternativa de electrónica basada en el grafeno epitaxial, o epigrafeno: una capa de grafeno que se formaba espontáneamente sobre el cristal de carburo de silicio, un semiconductor utilizado en electrónica de alta potencia. Los investigadores descubrieron entonces que la corriente eléctrica fluye sin resistencia a lo largo de los bordes del epigrafeno y que los dispositivos de grafeno pueden interconectarse sin cables metálicos. Esta combinación permite una forma de electrónica que se basa en las propiedades únicas de los electrones del grafeno, similares a la luz.

Para crear la nueva plataforma nanoelectrónica, los investigadores crearon una forma modificada de epigrafeno sobre un sustrato de cristal de carburo de silicio. En colaboración con investigadores del Centro Internacional de Nanopartículas y Nanosistemas de la Universidad de Tianjin (China), produjeron chips de carburo de silicio únicos a partir de cristales de carburo de silicio de calidad electrónica. El grafeno se cultivó en el laboratorio de de Heer en Georgia Tech utilizando hornos patentados.

Los investigadores utilizaron la litografía por haz de electrones, un método habitual en microelectrónica, para tallar las nanoestructuras de grafeno y soldar sus bordes a los chips de carburo de silicio. Este proceso estabiliza y sella mecánicamente los bordes del grafeno, que de otro modo reaccionarían con el oxígeno y otros gases que podrían interferir con el movimiento de las cargas a lo largo del borde.

Por último, para medir las propiedades electrónicas de su plataforma de grafeno, el equipo utilizó un aparato criogénico que permite registrar sus propiedades desde una temperatura cercana a cero hasta la temperatura ambiente.

Las cargas eléctricas que el equipo observó en los bordes del grafeno eran similares a los fotones de una fibra óptica que pueden viajar grandes distancias sin dispersarse. Comprobaron que las cargas recorrían decenas de miles de nanómetros a lo largo del borde antes de dispersarse. Los electrones de grafeno de tecnologías anteriores solo podían viajar unos 10 nanómetros antes de chocar con pequeñas imperfecciones y dispersarse en distintas direcciones.

”Lo especial de las cargas eléctricas de los bordes es que permanecen en el borde y siguen avanzando a la misma velocidad, aunque los bordes no sean perfectamente rectos”, explica Claire Berger, profesora de Física del Georgia Tech y directora de investigación del Centro Nacional de Investigación Científica de Grenoble (Francia).

En los metales, las corrientes eléctricas son transportadas por electrones cargados negativamente. Pero, contrariamente a lo que esperaban los investigadores, sus mediciones indicaban que las corrientes de borde no eran transportadas por electrones ni por huecos (término para las cuasipartículas positivas que indican la ausencia de un electrón). Más bien, las corrientes eran transportadas por una cuasipartícula muy inusual que no tiene carga ni energía y, sin embargo, se mueve sin resistencia. Se observó que los componentes de la cuasipartícula híbrida viajaban por lados opuestos de los bordes del grafeno, a pesar de ser un único objeto.

Estas propiedades únicas indican que la cuasipartícula podría ser una de las que los físicos llevan décadas esperando explotar: el esquivo fermión de Majorana, predicho por el físico teórico italiano Ettore Majorana en 1937. ”Desarrollar la electrónica utilizando esta nueva cuasipartícula en redes de grafeno interconectadas sin fisuras cambiaría las reglas del juego”, afirma de Heer.

Según de Heer, es probable que pasen entre cinco y diez años antes de que tengamos la primera electrónica basada en grafeno. Pero gracias a la nueva plataforma de grafeno epitaxial del equipo, la tecnología está más cerca que nunca de coronar al grafeno como sucesor del silicio.

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