La historia del transistor de un sólo átomo

Con el impacto de las telecomunicaciones sobre nuestras vidas y gracias a la propagación del conocimiento, posible gracias a esos medios, estamos en contacto en tiempo real con los investigadores y tecnólogos. Buenas noticias de los últimos avances y logros a nivel internacional nos llegan todos los días. En solamente dos meses en el año 2012, se han logrado avances impresionantes en varios campos de la ciencia y de la tecnología. La micro- y ahora nanotecnologías están revolucionando el mundo gracias por ejemplo a todos los procesos de miniaturización de dispositivos que utilizan esas tecnologías. Por lo tanto, ellas están tan metidas en nuestras vidas cotidianas que parecen un campo muy dominado y totalmente controlado por los cientificos e ingenieros que fabrican nuevos materiales. Todos pensamos que desarrollar nuevas innovaciones a partir de la micro y nanotecnología se realiza bastante fácilmente.

Sin embargo, la capacidad de manipular y luego entender el comportamiento de la materia a esas escalas tan pequeñas es un factor bastante limitante que hace que la mayoría de los resultados interesantes reportados en revistas científicas de alto impacto se queden en el grado de “revolución” en el laboratorio o bajo ciertas condiciones muy particulares. Frente a tantos descubrimientos, uno se puede preguntar legitimamente:  “¿Qué tan cerca de mi está esa revolución?” El domingo pasado, la famosa revista Nature publicó un artículo¹ que ha sido comentado en todo el mundo esta semana, porque promete revolucionar la microelectrónica. Efectivamente, sabemos que los transistores son los elementos que permiten a un procesador de calcular y a una memoria de guardar información. También sabemos que es importante reducir su tamaño para miniaturizar más la tecnología actual y reducir costos, pero, concretamente: “¿Qué nos puede aportar el transistor de un solo átomo que reportan en ese artículo?”

Controlar la posición de un atomo

Como lo dicen los autores del artículo en cuestión, poder controlar la materia a nivel atómico para construir, bloque por bloque, un dispositivo muy bien controlado es la parte central de la nanotecnología. Efectivamente, la precisión es el parámetro más importante para asegurar que el resultado deseado sea logrado. En la mayoría de los casos, no se logra controlar la materia a escala nanométrica con la precisión deseada pero la práctica puede resultar ser una relativamente buena aproximación de la teoría, es decir del objetivo principal de partida de una investigación. En el caso del transistor de un sólo átomo, el grupo de Michelle Simmons² ha podido colocar un átomo de fósforo con una precisión extremadamente buena en un cristal de silicio³. Es un logro que merece una publicación de alto calibre por varias razones, una de ellas es que nadie lo había hecho antes.

Otra justificación al impacto del artículo es que está respondiendo a una gran necesidad tecnológica actual: seguir reduciendo el tamaño de la electrónica para desarrollar más aplicaciones innovadoras. Hasta hace pocos años, la miniaturización era lograda con la optimización continua de los procesos ópticos utilizados para fabricar los transistores. Sin embargo, hoy existe un nuevo límite que surgió con la miniaturización y que se presenta directamente en la realización de un proceso antes libre de problemas, hasta llegar a ciertas dimensiones. Efectivamente, para fabricar transistores se tiene que dopar el silicio con otros atómos, y los dispositivos modernos son de escala tan reducida que los materiales dopantes ya no pueden colocarse en cualquier posición. Sin control de la posición exacta de los dopantes en el silicio, las propiedades electrónicas de los transistores cambiarían demasiado entre uno y otro y no se podrían utilizar como requerido. Saber como depositar esos átomos adicionales en el cristal de silicio es entonces un reto muy importante para seguir reduciendo el tamaño de los chips, y luego de los equipos electrónicos. Y hasta esta semana, era imposible.

Una solución todavía inaplicable prácticamente

Para enfatizar la importancia del avance, el grupo de trabajo publicó el artículo en Nature con el título explicito “Un transistor de un sólo átomo”. Para lograr manipular un átomo muy pequeño con tanta precisión tuvieron que utilizar una combinación de microscopia de barrido por tunelaje⁴ y de litografía de hidrógeno. Aunque el resultado no este al alcance de cualquier investigador por la complejidad de la técnica, promete mucho para fabricar transistores más pequeños, también se puede aplicar a la fabricación de dispositivos optoelectrónicos (utilizando la interacción de la luz con la materia para sensores o fuentes de luz muy pequeños) y a la realización de computadoras cuánticas basadas en el espin de los electrones. Sin embargo, y para contestar nuestra pregunta inicial, resolver un problema tecnológico actual no significa acercarse mucho a un dispositivo final y real. Efectivamente, Simmons y sus colaboradores tuvieron que bajar la temperatura del sistema por debajo de -270 grados centigrados para asegurarse que el transistor funcionara como esperado. A pesar de esa limitación bastante importante, es razonable pensar que van a poder optimizar el proceso y que esa prueba de concepto pronto llevará esa tecnología de experimento de física atómica a aplicaciones reales en nuestras vidas. Eso nos permite concluir que estamos cada vez más cerca de la ciencia de punta y e lugar de utilizarla sin pensar en lo que tenemos en nuestras manos, podemos intentar aprender de ella.

¹M. Fuechsle et. al. “A single-atom transistor”, Advanced Online Publication, Nature Nanotechnology.

²Michelle Simmons, el autor principal del artículo, es de la Universidad de Sidney, y colabora con investigadores de Australia, Korea del Sur, y EUA.

³El fósforo es un material comúnmente utilizado para dopar el silicio negativamente: como tiene un electrón más que el silicio permite crear un desequilibrio de electrones entre esos dos átomos y ayuda a fabricar los transistores actuales. El radio de un átomo de fósforo es aproximadamente de 100 picometros, o sea 0.1 nanometros.

⁴El potencial de la técnica es enorme dado la posibilidad de obtener imágenes de superficies metálicas a escala atómica. Debido a la capacidad de proporcionar un perfil tridimensional de la superficie de la muestra es muy útil en la caracterización de agregados, textura y defectos superficiales de los metales. Su uso abarca únicamente el estudio de materiales conductores y su nombre se debe a que se utiliza el efecto túnel para generar la imagen.