Este documento describe brevemente la nanoelectrónica y los avances recientes en dispositivos electrónicos a escala nanométrica como transistores. Aunque el término nanotecnología se refiere normalmente a dispositivos menores a 100 nm, la nanoelectrónica implica el estudio de las interacciones atómicas y propiedades cuánticas en transistores aún más pequeños. Algunos ejemplos actuales de nanodispositivos electrónicos son sustancialmente diferentes a los transistores tradicionales.

1. Física Electrónica – Ing. Sistemas – IV Ciclo

2. La Nanoelectrónica se refiere al uso de la nanotecnología en componentes electrónicos
especialmente en transistores. Aunque el termino nanotecnologia se usa normalmente para definir
la tecnología de menos de 100 nm de tamaño, la electrotecnia se refiere a menudo a transistores
de tamaño tan reducido que se necesita un estudio mas exhaustivo de las interacciones
intertomicas y de las propiedades mecánico cuánticas. Es por ello que transistores actuales como
por ejemplo CMOS90 de TSMC o los procesamientos pentium 4 de intel, no son instalados en esta
categoría a pesar de contar con un tamaño menor que 90 o 65 nm.
A los dispositivos Nanoelectronica se les considera una tecnología disruptiva ya que los ejemplos
actuales son sustancialmente diferentes que los transistores tradicionales. Entre ellos cabe
destacar la electrónica de semiconductos de moléculas híbridas nano turbos/nano hilos de una
dimensión o la electrónica molecular avanzada.
El sub voltaje y la nanoeletronica de sub voltaje profundo son campos específicos e importantes
de I+D, y la aparición de nuevos circuitos integrados operando a un nivel de consumo energético
por procesamiento de un bit próximo al teórico fundamentalmente, tecnológico diseño,
metodológico arquitectónico, algoritmico es inevitable. Una aplicación de importancia que
pueda beneficiarse finalmente de esta tecnología en lo referente a operaciones lógicas es la
computación reversible.

4. Este prometedor proyecto actualmente se está llevando a
cabo en cinco países europeos, y recientemente el Dr.
Jenkins hizo públicas, durante una conferencia celebrada
en la Universidad de Leicester, Reino Unido, diversas
cuestiones sobre el progreso de la labor de investigación y
desarrollo.
Un innovador vendaje que incorpora elementos
bionanotecnológicos es capaz de vigilar la evolución
de una herida y emprender por su cuenta algunas
acciones.
En condiciones normales, este singular vendaje se limita
a monitorizar la herida o quemadura, a fin de detectar
la proliferación indeseada de bacterias.
Si surge una infección, el vendaje libera
automáticamente un agente antimicrobiano.
Si esta operación no puede detener la infección,
entonces el vendaje cambia su color para alertar al
paciente o al personal sanitario.
Cuando esté plenamente operativo y aprobado para
su uso médico, este vendaje ayudará a combatir las
infecciones en heridas y quemaduras, gracias a su
actuación inmediata cuando surja una, y también a su
señal de alerta temprana cuando no consiga
controlarla.
El problema de la infección de heridas, especialmente
con la evolución de bacterias resistentes a los
antibióticos, como la Staphylococcus aureus resistente
a la meticilina (MRSA, por sus siglas en inglés), es bien
conocido por mucha gente, pero no así el hecho de
que las infecciones de heridas son la causa específica
de muerte de la mitad de todas las personas que
fallecen a consecuencia de quemaduras térmicas.
La tecnología que el equipo del Dr. Tobé Jenkins,
director del Grupo de Investigación de Química
Biofísica en la Universidad de Bath, Reino Unido, está
desarrollando, va orientada sobre todo a tratar
quemaduras en niños pequeños.
Vendaje nanotecnológico que avisa una infección

5. En experimentos recientes, se ha observado que aparecen aumentos
inesperados de voltaje de hasta un 25 por ciento en dos nanocables
posicionados uno muy cerca del otro.
Los diseñadores que ahora trabajan en el desarrollo de la nueva generación
de dispositivos electrónicos como teléfonos, PDAs, baterías y hasta paneles
solares de ciertas clases, deberán tener en cuenta la aparición potencial de
este fenómeno en aquellos de sus dispositivos que utilicen nanocables en la
alimentación eléctrica, y diseñarlos para evitar que sufran problemas
derivados de tal fenómeno.
Se lleva trabajando desde hace ya dos décadas en nanocables. Y, tal como
advierte Mike Lilly de los Laboratorios Nacionales de Sandia en Estados
Unidos, la mayor parte de las observaciones se han hecho sobre sobre
cables individuales o sobre grandes conjuntos.
Sin embargo, la integración de nanocables en circuitos implica colocarlos de
una manera distinta a esas dos modalidades. Por tanto, es necesario estudiar
cómo se comportan los nanocables agrupados del modo que será el típico
de muchos circuitos.
En los nuevos experimentos, se trabajó con nanocables separados
verticalmente por sólo 15 nanómetros, aproximadamente la distancia que se
espera sea la requerida en los dispositivos de la próxima generación.
Los nanocables, por ser tan estrechos, limitan el flujo de los electrones mucho
más de lo que lo hacen los cables convencionales, hasta el punto de que la
corriente eléctrica circula de un modo distinto a como lo haría en un cable
de grosor cotidiano. Esta característica de la nanoelectrónica, a su vez,
magnifica un efecto que en la microelectrónica es tan débil que resulta
irrelevante. Descrito de manera sencilla, este efecto, cuando opera a
distancias manométricas, hace que los electrones en un cable puedan
"sentir" a los electrones individuales que se mueven en otro lugar cercano, y
eso lleva a las citadas alteraciones de voltaje.
Inesperado Incremento de
voltaje al agrupar nanocables
en configuraciones especificas

6. • Sin embargo, el mencionado equipo de investigadores de la
Universidad de Harvard realizó experimentos dirigidos a
demostrar que la fase de la luz y la dirección de su propagación
pueden cambiar de un modo espectacular mediante el uso de
estructuras de un nuevo tipo, concretamente metamateriales
que en este caso están basados en un conjunto de nanoantenas
dispuestas en una configuración especial.
El equipo de la Universidad Purdue ha llevado el trabajo un paso
más allá, creando conjuntos de nanoantenas y cambiando la
fase y la dirección de la propagación de la luz en una franja
amplia de la banda del infrarrojo cercano.
En este nuevo trabajo también han participado Xingjie Ni, Naresh
K. Emani, Alexander V. Kildishev, y Alexandra Boltasseva.
Se ha demostrado que ciertos conjuntos de
diminutas nanoantenas plasmónicas pueden
manipular la luz con alta precisión y de maneras,
hasta ahora inasumibles, que podrían hacer
factibles muchas clases de innovaciones ópticas,
como por ejemplo microscopios con mayor poder
escrutador, telecomunicaciones más eficaces, y
ordenadores más potentes.
Los investigadores que han logrado este hito se han
valido de nanoantenas para cambiar de modo
abrupto una propiedad de la luz: La fase. La luz es
transmitida como ondas, no muy diferentes en
concepto a las olas. Una ola tiene puntos altos y
bajos. La fase define estos puntos altos y bajos en la
luz.
El nuevo trabajo, a cargo del equipo de Vladimir
Shalaev, director científico de nanofotónica en el
Centro Birck de Nanotecnología de la Universidad
Purdue, en Estados Unidos, amplía los resultados
obtenidos por un grupo de investigadores dirigido
por el físico Federico Capasso de la Universidad de
Harvard. En ese trabajo, el equipo de Capasso
modificó la ley de Snell, una fórmula aceptada
desde hace mucho tiempo y que describe cómo la
luz se refleja y refracta, o se curva, mientras pasa
de un material a otro.
Hasta ahora, de la ley de Snell se deducía que
cuando la luz pasa de un material a otro no se
produce ningún cambio de fase abrupto a lo largo
de la superficie de contacto entre los materiales.

7. Para el ámbito de la física, el desarrollo de este cable y su
comportamiento demuestran que la Ley de Ohm, que establece
la relación entre la corriente eléctrica, la resistencia y el voltaje,
sigue siendo válida en tamaños progresivamente más pequeños
hasta incluir también un cable de dimensiones atómicas.
En el desarrollo del cable han trabajado, entre otros, Michelle
Simmons (directora del Centro de Excelencia para la
Computación Cuántica de la Universidad de Nueva Gales del Sur),
Bent Weber (de la misma universidad), Gerhard Klimeck (profesor
en la Universidad Purdue y director de la Red para la
Nanotecnología Computacional), y Hoon Ryu (ahora en el Centro
de Supercomputación del Instituto Coreano de Ciencia y
Tecnología).
La miniaturización de los cables eléctricos ha alcanzado
una cota que hasta hace no muchos años era exclusiva
de la ciencia-ficción. En un nuevo y asombroso avance, se
ha conseguido crear un cable tan delgado que hay que
medirlo por átomos: mide 4 átomos de ancho y 1 de alto.
Se trata del cable con silicio más minúsculo fabricado
hasta la fecha. Y es 20 veces más delgado que los cables
de cobre más pequeños disponibles ahora en los
microprocesadores.
El cable ha sido fabricado mediante la estrategia de
ubicar con la debida precisión cadenas de átomos de
fósforo dentro de un cristal de silicio.
Se ha demostrado que este singular cable tiene la misma
capacidad de conducir la corriente eléctrica que los
cables de cobre. A pesar de su diámetro increíblemente
diminuto (10.000 veces más fino que un cabello humano),
los cables de esta clase tienen propiedades eléctricas
excepcionalmente buenas, lo que hace suponer que
servirán para conectar componentes de tamaño atómico
en las computadoras cuánticas del mañana.
La hazaña tecnológica es obra de un equipo encabezado
por investigadores de la Universidad de Nueva Gales del
Sur, la de Melbourne, y la de Purdue, las dos primeras en
Australia y la tercera en Estados Unidos.
El desarrollo de este cable podría proporcionar a los
ingenieros electrónicos una hoja de ruta para el desarrollo
definitivo de los primeros dispositivos computacionales de
dimensiones nanométricas, cuyos tamaños estarían al final
de lo determinado por la Ley de Moore. La teoría muestra
que una sola fila densa de átomos de fósforo insertados en
silicio marcará el límite definitivo de la miniaturización en la
electrónica.

8. Los datos son escritos y leídos en la unidad
nanométrica de almacenamiento con la ayuda de
un microscopio de Efecto Túnel. Los pares de filas de
átomos tienen dos posibles estados magnéticos,
representando los dos valores, 0 y 1, de un bit clásico.
Un pulso eléctrico de la punta del microscopio de
Efecto Túnel invierte la configuración magnética. Un
pulso más débil permite leer la configuración, aunque
actualmente el "cabezal" de lectura sólo es estable a
una temperatura muy fría: 268 grados centígrados
bajo cero.
Se ha conseguido construir la unidad de
almacenamiento magnético de datos más
pequeña del mundo. Usa sólo 12 átomos por bit, la
unidad básica de la información digital, y
almacena un byte completo (de 8 bits) dentro de
una cantidad ínfima de materia: tan sólo 96
átomos. En comparación, una unidad de disco
duro moderna necesita más de 500 millones de
átomos por byte.
La proeza tecnológica es obra de un equipo de
científicos de IBM y el Centro Alemán para la
Ciencia del Láser de Electrones Libres (CFEL)
Esta singular unidad de almacenamiento de datos
se construyó átomo por átomo con la ayuda de un
microscopio de Efecto Túnel en el Centro de
Investigación de Almaden de IBM, en San José,
California.
El equipo de Sebastian Loth del CFEL y Andreas
Heinrich de IBM construyó los patrones regulares de
átomos de hierro, alineándolos en filas de seis
átomos cada una. Dos filas son suficientes para
almacenar un bit. Un byte, a su vez, consta de
ocho pares de filas de átomos. Usa sólo un área de
4 por 16 nanómetros. Esto corresponde a una
densidad de almacenamiento que es cien veces
superior a la de una unidad de disco duro
moderna.

9. Unos científicos han usado dos moléculas como antenas y han conseguido
transmitir señales en forma de fotones individuales, desde una a la otra.
Una conexión de radio establecida mediante fotones individuales sería
ideal para diversas aplicaciones de comunicación cuántica, como por
ejemplo en la criptografía cuántica o en una computadora cuántica.
Las partículas individuales de luz son el medio elegido para transmitir bits
cuánticos. En el futuro, estas unidades de información cuántica podrían
sustituir en muchas aplicaciones a los bits convencionales si la computación
cuántica logra despegar.
En los experimentos realizados en el Instituto Federal Suizo de Tecnología, en
Zúrich, el equipo de Vahid Sandoghdar, director del Departamento de
Nanoóptica en el Instituto Max Planck para la Ciencia de la Luz en
Alemania, y Stephan Goetzinger, profesor en la Universidad de Erlangen,
Alemania, usó como antenas dos moléculas del compuesto conocido
como DBATT (por las siglas del inglés "dibenzanthanthrene").
Puesto que un fotón solo no acostumbra a interactuar mucho con una
molécula, los físicos tuvieron que usar ciertos "trucos" en sus experimentos, a
fin de conseguir que la molécula receptora registrara la señal luminosa. Se
valieron de dos capas dopadas con moléculas de tinte, separadas por
varios metros y conectadas por un cable de fibra óptica. Y se trabajó con
muestras enfriadas hasta 272 grados centígrados bajo cero, es decir, casi
hasta el Cero Absoluto (aproximadamente 273,15 grados centígrados bajo
cero).
El resultado ha sido la transmisión de fotones individuales entre las dos
antenas más pequeñas del mundo.

10. En el transformador de tamaño nanométrico, los electrones que
se mueven en una capa metálica arrastran a los electrones de
una segunda capa metálica usando sus campos eléctricos
locales. Para trabajar con este fenómeno, las capas metálicas
necesitan estar aisladas eléctricamente unas de otras, pero
separadas por no más de algunas distancias interatómicas.
Estas nuevas estructuras hechas a base de capas con el grosor
de un átomo podrían algún día establecer los fundamentos
para una nueva gama de dispositivos electrónicos y fotónicos
complejos que no podrían fabricarse con ningún otro material
existente, lo que incluye varias nuevas arquitecturas para
transistores y detectores.
El nanotransformador fue ensamblado por Roman Gorbachev,
de la Universidad de Manchester.
Aparte del grafeno, hay muchos materiales potencialmente
utilizables en forma de láminas con el grosor de un átomo.
Combinándolos, es posible crear nuevos materiales que no
existen en la naturaleza. "Este camino promete volverse mucho
más emocionante que el propio grafeno", valora Geim.
Se ha logrado ensamblar capas atómicas individuales unas
sobre otras en la sucesión deseada, de tal modo que la
estructura nanométrica resultante funciona como un
transformador eléctrico.
El equipo de Leonid Ponomarenko y Andre Geim
(galardonado con un Premio Nobel), en la Universidad de
Manchester en el Reino Unido, usó cristales individuales de
un átomo de espesor para construir la estructura
multicapa.
Los científicos usaron el grafeno como un plano conductor
de un átomo de espesor, mientras que bastaron cuatro
capas atómicas de nitruro de boro para lograr un aislante
eléctrico.
El grafeno, aislado por primera vez en la Universidad de
Manchester en el 2004, tiene potencial para revolucionar
diversas aplicaciones, incluyendo los smartphones, la
transmisión ultrarrápida de banda ancha, la administración
de medicamentos en puntos muy precisos del cuerpo, y
chips de ordenador. Al grafeno se le considera capaz de
reemplazar a materiales comunes de la industria
electrónica como por ejemplo el silicio, pero el equipo de
Ponomarenko y Geim cree que su utilidad será aún mayor
para nuevos dispositivos y materiales que aún no han sido
inventados.