Computadoras de próxima generación: el nuevo material de cableado podría transformar la tecnología de chips

Los rápidos avances tecnológicos de nuestro mundo han sido posibles gracias a nuestra capacidad de diseñar y fabricar chips electrónicos cada vez más pequeños. Estos sustentan las computadoras, los teléfonos móviles y todos los dispositivos inteligentes implementados hasta la fecha.

Uno de los muchos desafíos es que los componentes electrónicos generan cada vez más calor a medida que se miniaturizan. Un problema importante radica en hacer que los cables que conectan los transistores en el chip sean más delgados y al mismo tiempo garantizar que se libere la mínima cantidad de calor.

Estas interconexiones generalmente están hechas de cobre y, a medida que comenzamos a reducirlas a espesores de nanoescala, su resistencia eléctrica aumenta rápidamente porque los electrones que se mueven a lo largo de los cables tienen una mayor probabilidad de colisionar con la superficie del cable. Esto, conocido como dispersión, hace que la energía se libere en forma de calor residual, lo que significa que se necesita más energía para mantener el mismo nivel de rendimiento.

Un grupo de la Universidad de Stanford ha publicó un nuevo artículo mostrando que las películas delgadas de un material conocido como fosfuro de niobio (NbP) exhiben una conductividad mucho mayor que el cobre por debajo de un espesor de 5 nanómetros (nm) (el espesor típico del cableado en los chips actuales es de aproximadamente 10 nm a 30 nm). Esta mejora se debe a que el NbP es un material con propiedades cuánticas únicas.

NbP pertenece a una clase de materiales conocidos como materiales topológicos, que tienen propiedades electrónicas únicas debido a su estructura atómica y fueron el tema del estudio de 2016. premio nobel de fisica. Su conductividad a lo largo de la superficie es extremadamente alta y permanece igual independientemente de los cambios en la forma o el tamaño del material (los físicos se refieren a esto como un «estado de superficie topológicamente protegido»).

En otras palabras, es robusto y no se destruye fácilmente al remodelarlo. Incluso cuando el material se adelgaza, se dobla o se le dan crestas, las propiedades conductoras especiales que se pueden observar en la superficie permanecen presentes.

Esto es importante, ya que la capacidad de disminuir el grosor de las interconexiones eléctricas y al mismo tiempo permitir que la electricidad fluya fácilmente es clave para equilibrar el costo de fabricación y la complejidad con la eficiencia energética. Esto le da al NbP una ventaja significativa sobre otros materiales.

Desorden versus orden

Lo que es particularmente notable sobre el descubrimiento del equipo de Stanford es que estas propiedades cuánticas se observaron en películas desordenadas, lo que significa que el fosfuro de niobio no se fabricó de la manera más controlada para maximizar sus propiedades conductoras.

Existe una buena analogía en la elaboración de barras de chocolate: es vital controlar el proceso de enfriamiento del chocolate derretido para crear el producto final brillante al que estás acostumbrado. Este proceso se conoce como templado. Cualquiera que haya probado esto probablemente sepa lo opaca y suave que puede ser la versión sin templar y cómo afecta el sabor.

La diferencia entre el chocolate templado y el no templado es el tamaño de los cristales individuales dentro de la estructura del chocolate (o, para decirlo de otra manera, la cantidad de pedidos). El chocolate sin templar contiene múltiples cristales pequeños que están desordenados entre sí. Para hacer chocolate templado, un fabricante lo enfriará de forma controlada y también agregará un trozo de chocolate templado para promover el crecimiento de una estructura cristalina uniforme.

Ahora imagina lo útil que sería si pudieras simplemente saltarte este templado. No sólo haría que el proceso de producción fuera más eficiente, sino que también podría reducir la energía necesaria. Esto es esencialmente lo que el equipo de Stanford ha demostrado en relación con su material.

Para decirlo en términos técnicos, el fosfuro de niobio no tenía un orden de largo alcance. Esto significa que, si bien podría haber contenido algunos de los pequeños cristales que se asociarían con una versión óptima, el material se consideró en general una aleación desordenada.

A pesar de esto, seguía siendo un excelente conductor para una película ultrafina, aparentemente debido al exótico fenómeno cuántico de los estados superficiales topológicamente protegidos. Si este efecto puede ocurrir incluso en un material desordenado, simplifica enormemente el proceso de fabricación, con implicaciones positivas para los costos.

Esto muestra cómo los efectos cuánticos podrían conducir a mejoras tan significativas en la conductividad, lo que potencialmente nos permitiría producir chips de computadora más potentes y energéticamente eficientes en un futuro cercano. Una cuestión importante es si se podría disponer de suficiente fosfuro de niobio para fines de fabricación.

Si bien esta no es nuestra área, El fósforo es casi tan abundante como el carbono en la corteza terrestre, mientras que el niobio es aproximadamente un tercio tan abundante como el cobre, aproximadamente comparable con el cobalto y el níquel. Eso sugiere una oferta suficiente, aunque los especialistas tendrían que sopesar el costo relativo de extraer estos elementos de sus minerales.

Para aquellos de nosotros que trabajamos en este campo, el descubrimiento también plantea la cuestión de si otros materiales topológicos como fosfuro de tantalio y arseniuro de tantalio podría comportarse de manera similar. Además, ¿cuál es el ingrediente esencial que poseen las muestras de NbP para que actúen de esta manera? Estas preguntas seguirán involucrando a los científicos en su búsqueda de soluciones que permitan tecnologías informáticas de menor potencia del futuro.

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