El nuevo transistor magnetoeléctrico reduce el uso de energía y ahorra espacio. He aquí por qué esto podría ser enorme

Ilustración que muestra el grafeno (gris) y el óxido de cromo (azul) en un nuevo transistor que cambia el espín (flechas rojas y verdes) en lugar del voltaje para leer como 1 o 0. Crédito: Universidad de Buffalo/Materiales avanzados.

Los físicos en los Estados Unidos acaban de anunciar un gran avance después de que, literalmente, dieron un nuevo giro a uno de los inventos más grandes de la historia: el transistor. Los científicos crearon un dispositivo de conmutación completamente novedoso llamado transistor magnetoeléctrico que utiliza un 5 % menos de energía que los transistores semiconductores convencionales, al tiempo que reduce potencialmente la cantidad de transistores necesarios para almacenar datos hasta en un 75 %.

Una nueva era de la informática puede estar sobre nosotros

Un transistor semiconductor consta de tres terminales críticos que deben conectarse a un circuito eléctrico. La fuente y el drenaje sirven como punto inicial y final, respectivamente, permitiendo que los electrones fluyan a través del circuito. Encima de estos dos terminales se encuentra la puerta, que acertadamente nombrada permite o restringe el flujo de electricidad a través del transistor. La acumulación o ausencia de carga se codifica como 1 o 0, o sí o no, el lenguaje binario básico que se puede usar para calcular cualquier cosa. Con suficientes transistores, como los trillones metidos dentro de su típico chip de computadora moderno, puede realizar todo tipo de cosas asombrosas, desde transmitir su comedia de situación favorita en su teléfono hasta guiar un vehículo robótico en Marte desde 35 millones de millas de distancia.

Desde que se inventaron por primera vez en 1947, la cantidad de transistores empaquetados en un solo chip de silicio ha crecido constantemente en densidad, lo que ha llevado al crecimiento informático exponencial que ha permitido la producción de computadoras cada vez más poderosas. Este progreso ha sido resumido por la Ley de Moores, que establece que la cantidad de transistores en un circuito integrado se duplica aproximadamente cada dos años.

La Ley de Moores ha sido notablemente precisa y, hasta el día de hoy, no ha disminuido su línea de tendencia establecida. Pero esto no significa que pueda continuar para siempre. Un transistor es un objeto físico y, en consecuencia, tiene fuertes restricciones determinadas por las leyes de la naturaleza.

El circuito integrado tradicional se enfrenta a algunos problemas graves, dijo Peter Dowben, profesor de física y astronomía Charles Bessey en Nebraska, en un comunicado. Hay un límite de cuánto más pequeño puede llegar a ser. Se redujeron básicamente al rango en el que se hablaba de 25 átomos de silicio o menos de ancho. Y genera calor con cada dispositivo en un (circuito integrado), por lo que ya no puede llevar suficiente calor para que todo funcione.

El problema se ve agravado por una doble demanda no solo de transistores más rápidos sino también de más eficientes energéticamente. Solo en 2020, el mundo fabricó un billón de chips de computadora, cada uno repleto de miles de millones de pequeños transistores. En el futuro, será necesario construir y enviar muchos más chips para satisfacer las crecientes necesidades de la era digital.

No son solo las computadoras y los teléfonos los que necesitan computadoras. Un automóvil moderno puede tener fácilmente más de 3000 chips, por ejemplo. De hecho, ahora mismo encontrará chips de computadora en casi cualquier cosa, desde televisores hasta tostadoras. Todos estos dispositivos electrónicos, si bien son útiles, requieren una cantidad cada vez mayor de energía para alimentarlos. Solo la minería de Bitcoin utiliza tanta energía como Filipinas, un país de 110 millones de habitantes. A este ritmo, pronto usaremos tanta energía como todo Estados Unidos solo para recordar, advierte Dowben.

Así que necesitas algo que puedas encoger más pequeño, si es posible. Pero, sobre todo, necesita algo que funcione de manera diferente a un transistor de silicio, para que pueda reducir mucho el consumo de energía, agregó.

Un nuevo giro en el transistor

Al observar estos problemas de demanda y las limitaciones físicas del transistor convencional, Dowben y sus colegas consideraron que tenían que encontrar algo que funcionara de manera fundamentalmente diferente. Eventualmente, descubrieron cómo hacer un transistor electromagnético.

Así es como funciona. En lugar de aprovechar la conmutación del flujo de electrones a través de un circuito, el transistor electromagnético utiliza una propiedad fundamental de los electrones llamada espín, que puede apuntar hacia arriba o hacia abajo. La orientación del giro de una partícula se puede manipular usando, lo has adivinado, magnetismo.

Para hacer su transistor basado en espintrónica, los investigadores comenzaron con una capa de grafeno del grosor de un átomo, que tiene la propiedad atractiva de permitir que los electrones fluyan a través de ella para mantener su orientación inicial de espín durante distancias relativamente largas. Pero para producir un efecto de cambio, el grafeno tenía que combinarse con el material adecuado. En este caso, los físicos utilizaron óxido de cromo, un material magnetoeléctrico en el que los espines de los átomos en su superficie se pueden voltear hacia arriba o hacia abajo aplicando solo una pequeña cantidad de voltaje.

Cuando el voltaje aplicado es positivo, el espín de los átomos de óxido de cromo subyacentes apunta hacia arriba. Esto obliga a que la orientación del espín de los electrones que fluyen a través del grafeno por debajo se desvíe hacia la izquierda, produciendo una señal detectable en el proceso. El voltaje negativo voltea los átomos de óxido de cromo hacia abajo y los electrones en el grafo hacia la derecha. Las dos señales se distinguen claramente entre sí, ese es su 1 o 0.

El transistor resultante no solo usa un 5% menos de energía que un transistor moderno convencional, sino que también puede usarse como un dispositivo de memoria mucho más eficiente. La memoria de acceso aleatorio, o RAM, requiere un suministro constante de energía para mantener sus estados binarios. Sin embargo, la microelectrónica basada en un transistor magnetoeléctrico podrá recordar exactamente dónde lo dejó un usuario incluso después de que el dispositivo se haya apagado, ya que cambiar no implica cambiar la corriente.

Las implicaciones de esta demostración más reciente son profundas, dijo Dowben.

Si bien esta prueba de concepto es impresionante, los investigadores afirman que esto es simplemente rascar la superficie. Ahora que se completó esta demostración, otros laboratorios y grupos de investigación de todo el mundo pueden usar este marco y continuar donde lo dejaron Dowben y sus colegas. Hay muchos otros materiales 2-D que se adaptan mejor a las aplicaciones magnetoeléctricas que el grafeno.

Ahora que funciona, comienza la diversión, porque todos van a tener su propio material 2D favorito y van a probarlo, dijo Dowben. Algunos de ellos funcionarán mucho, mucho mejor, y otros no. Pero ahora que sabe que funciona, vale la pena invertir en esos otros materiales más sofisticados que podrían [funcionar].

Ahora todo el mundo puede entrar en el juego, averiguando cómo hacer que el transistor sea realmente bueno y competitivo y, de hecho, supere al silicio.

Los hallazgos aparecieron en la revista Advanced Materials .

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