Nuevos materiales para el ordenador del futuro

Estructura electrónica de superficie y a granel de BaSnO dopado con La₃. a Dispersión de banda de valencia paralela a Γ-X, adquirida con energías de fotones entrantes de 80, 122 y 132 eV, correspondientes a diferentes momentos perpendiculares k_z valores indicados por las curvas blancas en (b). La estructura de banda medida se superpone con la estructura de banda LQSGW calculada para BaSnO a granel₃. Las bandas medidas y calculadas muestran buena concordancia, con una clara dispersión a lo largo k_z. b Mapa de intensidad en la energía de Fermi en el plano perpendicular a la superficie de la muestra (k_X–k_z), medido con energías de fotones entrantes que van desde 20 a 145 eV. No se evidencia una periodicidad clara a lo largo k_z. Los cuadrados negros indican los límites de la zona de Brillouin según se deduce de la periodicidad de las bandas de valencia que se muestran en el panel (a), usando los cálculos de LQSGW como referencia. Las circunferencias rojas marcan la superficie de Fermi a granel esperada centrada en los puntos Γ (C) Croquis que ilustra la diferencia entre las superficies de Fermi medidas y calculadas. La superficie de Fermi en forma de esfera 3D calculada con impulso de Fermi k_F basado en el dopaje nominal de la película se muestra en rojo, mientras que la superficie de Fermi cilíndrica 2D medida con k_F según las mediciones, los resultados se muestran en verde. La intensidad de ARPES sigue la barra de escala de colores adjunta. Crédito: Física de las comunicaciones (2022). DOI: 10.1038/s42005-022-01091-y

Nuevos materiales podrían revolucionar la tecnología informática. La investigación realizada por científicos del Instituto Paul Scherrer PSI utilizando Swiss Light Source SLS ha alcanzado un hito importante en este camino.

Los microchips están hechos de silicio y funcionan según el principio físico de un semiconductor. Nada ha cambiado aquí desde que se inventó el primer transistor en 1947 en Bell Labs en Estados Unidos. Desde entonces, los investigadores han predicho repetidamente el final de la era del silicio, pero siempre se han equivocado.

La tecnología del silicio está muy viva y continúa desarrollándose a un ritmo rápido. El gigante informático IBM acaba de anunciar el primer microprocesador cuyas estructuras de transistores solo miden dos nanómetros, lo que equivale a 20 átomos adyacentes. ¿Qué es lo siguiente? ¿Estructuras aún más pequeñas? Es de suponer que sí, al menos durante esta década.

Al mismo tiempo, nuevas ideas están tomando forma en los laboratorios de investigación con respecto a una tecnología revolucionaria que podría cambiar todo lo que creemos que sabemos sobre la microelectrónica. Una de las luces brillantes en este campo de investigación la proporciona el equipo de Milan Radovic. Milan Radovic trabaja en el Instituto Paul Scherrer y su equipo acaba de publicar un artículo en la revista Física de las comunicaciones presentando hallazgos sensacionales de investigaciones de vanguardia sobre óxidos transparentes (TO) que podrían abrir enormes perspectivas para esta nueva tecnología.

Microchips innovadores

Radovic y sus coautores Muntaser Naamneh y Eduardo Guedes, junto con el grupo de investigación Bharat Jalan de la Universidad de Minnesota, no trabajan con silicio, sino con óxidos de metales de transición (TMO). Estos exhiben propiedades exóticas y fenómenos multifuncionales como superconductividad a alta temperatura, magnetorresistencia colosal, transición metal-aislante y mucho más. Lo que inicialmente puede sonar desconcertante para un profano promete enormes avances para la tecnología de chips del futuro.

En su última publicación, los investigadores se centran en el óxido de bario y estaño (BaSnO₃), un material que combina la transparencia óptica con una alta conductividad eléctrica.

Los científicos han estado tratando durante algún tiempo de obtener propiedades similares a las de los semiconductores de los metales de transición, así como de óxidos transparentes especiales como el BaSnO.₃ y estanato de estroncio (SrSnO₃). En comparación con el silicio, ofrecen ventajas innovadoras para los elementos optoelectrónicos: estos óxidos de perovskita conductores transparentes permitirían crear elementos de conmutación con propiedades eléctricas y ópticas directamente relacionadas. Entonces puede ser concebible producir transistores que puedan ser conmutados con luz.

El conocimiento de las interfaces es crítico

Todos los microchips están hechos de una combinación de diferentes sustancias. Para comprender su función, es importante saber qué sucede en las delgadas capas adyacentes, o interfaces, entre estos materiales, porque las propiedades físicas de muchos materiales son completamente diferentes en la superficie en comparación con su interior.

Pueden ocurrir «fases exóticas» en las interfaces de los materiales, un descubrimiento realizado por tres físicos británicos que recibieron el Premio Nobel en 2016. El artículo recién publicado describe avances significativos en la comprensión de las propiedades electrónicas del estado superficial de BaSnO.₃.

Los investigadores utilizaron espectroscopia de fotoemisión con resolución angular en la línea de luz de Swiss Light Source SLS para «descubrir el estado electrónico bidimensional de BaSnO₃ lo que abre nuevas perspectivas para esta clase de materiales”, dice Eduardo Guedes.

Ahora los investigadores quieren descubrir qué otros materiales exhiben propiedades similares y podrían ser candidatos potenciales para los microchips ópticos del futuro.

Pero el silicio está lejos de ser una tecnología obsoleta, dice Milan Radovic. De hecho, está altamente desarrollado y es eficiente. «Sin embargo, la tecnología basada en óxidos de metales de transición es mucho más poderosa y versátil; llegará su momento».