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Nanoelectrónica Por: Jairo E. Márquez D.

Figura 1. Representación generada por ordenador de un catenano (dos o más anillos químicos entrelazados), esta molécula se mantiene íntegra porque los dos anillos están entrelazados y no

pueden ser separados sin romperse al menos uno de ellos. La segunda figura es un rotaxano, un anillo (macrociclo) cerrado en torno a un eje. El anillo está entre el eje donde los grupos químicos,

formados generalmente por diez o más anillos bencénicos incorporados a cada extremo impiden que se salga, teniendo en cuenta que no hay interacciones químicas entre el eje y el anillo. Crédito de la

imagen del documento HTML adaptado por el autor Matthew Carroll de su informe 'Towards the Synthesis of a catenane' sobre un trabajo de investigación realizado en ¡a Birmingham Universit}/.

The nanoelectronics based on the na-notechnologi;, is the next evolation of the microelectronic, in which the neto deuices wiU be designed to nanome-tñcscales, ofan atomic or molecular size. This way, it is expected that with this technologi;, new si;stems of mo­lecular Computer and quantum com-puter superior are implemented to any current supercomputer, to permit that thefuture electronic devices are smaller than the box of matches and not bigger than a grain ofsand. The-se new computer systems wiU be much more potent and speedier, with a capacity of practically infinite sto-rage of data, reduced energy con-sumption and a lower operation cosí This makes that the nanoelectronic is attractive to the industr\; nanotech-nologi;.

Key words: Nanoelectronics, self-as-sembling, nanotechnologu, molecular computer, quantum computer

INTRODUCCIÓN

Gran parte de nuestra actividad cotidia­na implica el uso de dispositivos que func ionan gracias a componentes elec­trónicos. Estos componentes se han per­feccionado durante las últimas cuatro décadas util izando básicamente mate­riales semiconductores inorgánicos, en­tre los cuales el silicio es el protagonista indiscutible. Sin embargo, la tecnología del silicio tiene sus limitaciones y, desde principios de los años noventa, se está dedicando u n gran esfuerzo científico al desarrollo de u n a nueva electrónica, basada en el empleo de materiales mo­leculares electroactivos.^

Estos nuevos materiales de naturaleza orgánica, inorgánica e híbrida, serán el sustituto de los materiales que común­mente se utilizaban en la industria m i -

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croeledrónica. Dichos materiales respon­derán igual o mejor a estímulos eléctri­cos y luminosos de forma similar a los conductores y semiconductores inorgá­nicos. P ej. Los polímeros conductores de electricidad (polímeros conjugados con alternancia de simples y dobles en­laces carbono-carbono).

LA LEY DE MOORE AL BORDE DEL COLAPSO

1965. G o r d o n Moore plantea que el número de transistores que contienen los microchips se dupl ican cada año. Pos­teriormente, con el mejoramiento cons­tante de los métodos de fotolitografía, el número de transistores se dupl ica cada 18 meses. Esto quiere decir, que cada 18 meses, por el mismo dinero se puede comprar u n microprocesador con el doble de potencia.

A h o r a , esta progresión tiene u n carác­ter f in i to , pues las leyes físicas i m p o ­nen u n límite a las técnicas actuales para seguir reduc iendo el t a m a ñ o de los chips sin sacrificar su potencia . Tal es la s i tuación, que se predice que dentro de 10 años , a p r o x i m a d a m e n t e en el a ñ o 2 0 1 0 , la ley de M o o r e deja de aplicarse.

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La SIA (Semiconductor Industry Asso-ciation) predice que las dimensiones crí­ticas en los circuitos integrados están alcanzando la región de los lOOnm, y finaliza con dimensiones por debajo de los 5 0 n m . Los circuitos integrados l le­garán a tener densidades de 10^^ bits/ c m ^ equivalente al cerebro h u m a n o que contiene aproximadamente lO^^si-napsis/cm^.

Sin embargo, el aumento de la veloci­dad de respuesta y el número de tran­sistores por chip han generando nuevos problemas para los ingenieros, que se han empeñado en buscar soluciones que corrijan los efectos colaterales no desea­dos que surgen con la miniaturización. N o debemos olvidar, que con la tecno­logía actual, el t a m a ñ o de las pistas conductoras en u n chip es del orden de 0.18/.im,^ y se espera que en unos p o ­cos años, estas pistas lleguen a u n mí­n i m o de 0.1yu,m. Por lo tanto, cada tran­sistor de u n chip de este tamaño, esta­ría conformado solamente por 100 áto­mos aproximadamente.

Para sortear este escollo la microelec­trónica deberá evolucionar; para que esta evolución sea posible, debe existir una disciplina afín que permita crear nue-

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vos dispositivos a una escala m u c h o menor, aumentando de paso la poten­cia de procesamiento, con u n uso de energía m u y bajo. Esta disciplina es la Nanotecnología, donde los elementos de trabajo directo, serán los átomos y las moléculas para crear los nuevos dispo­sitivos electrónicos, tanto por la min ia ­turización de las técnicas de fabricación clásica, como las nuevas técnicas na-noescalares. Así surge la electrónica m o ­lecular o la Nanoelectrónica.

NANOELECTRÓNICA

El objet ivo de la nanoelectrónica, es manipular los procesos de construcción natural (emulando las leyes que en la naturaleza rigen estos procesos), para obtener a escala industrial sistemas elec­trónicos de alta comple j idad en u n es­pacio reducido, buscando que los na-nodispositivos sinteticen moléculas m i ­nimizando factores físicos tales como el ruido térmico o blanco, disipación tér­mica, gases tóxicos y la intervención de la m a n o del hombre , además de redu­cir y por qué no anular por completo los contaminantes en el proceso.

Gracias a la nanoelectrónica, actual­mente existen ya dispositivos implemen-tados en la industria microelectrónica y las telecomunicaciones tales como los cristales líquidos de matriz activa y pa­siva en pantallas de monitores y relojes, xerografía, sensores químicos, biosenso-res y nanosensores, sistemas de imáge­nes de alta definición y nanocontactos en dispositivos de estado sólido.

A nivel experimental se está trabajando en el procesamiento de señales ópticas y optoelectrónicas, magnéticas, quími­cas y biológicas para fabricación de nanotransistores, nanodiodos," m e m o ­rias dinámicas, conversores de energía solar, fotosensores, nanobiosensores y nanocontactos.

En fotónica no lineal se estudian los dis­positivos fotónicos (láseres con hilos o puntos cuánticos), guías de onda fotó-nicas, conectores intermoleculares, son­das ópticas, arrays de nanohilos mag­néticos, conmutadores ópticos, fuentes puntuales altamente coherentes de ha­

ces de electrones monoenergéticos y LEDS. Membranas de alúmina, anodi -zación y electrodeposición, uniones me­tal-metal y células solares flexibles en­tre otros.

Se han hecho muchos avances signifi­cativos en esta nueva ciencia emergen­te, pero aún falta sortear varios proble­mas, como son:

Tamaño: Al reducir el tángano de los circuitos a nanoescala, se pueden intro­ducir ma\;or itúinero de transistores, y debido a su corta distancia entre ellos, la velocidad de procesamiento aumen­ta drásticamente. El problema surge cuando la escala de trabajo, se acerca al tamaño atómico, ya que empiezan a ma­nifestarse los fenómenos físico-cuánti­cos.

Escaía: A escalas nanométricas, las le­yes de la física cuántica toman gran re­levancia. Así, el comportamiento de los electrones se torna probabilística, es decir el principio de incertidumbre de Heissenberg no puede omitirse, pues la posición y comportamiento de los electrones y fotones a escalas atómicas, no es el mismo a escalas mesoscópicas.

Manipulación: Para poder crear dis­positivos a nanoescala, se requiere de instrumentos y técnicas muy refinadas para manipular los electrones y molé­culas. Los únicos instrumentos que pue­den asir la materia a nanoescala son el microscopio de efecto túnel STM y el microscopio de fuerza atómica AFM.

Desarrollo Tecnológico industrial: La industria de los semiconductores confía aún en el silicio, y han encontra­do soluciones alternativas para no de­clinar su uso, debido a que un cambio de tecnología abrupto lo hace inuiable, ya que los costos de los equipos repre­sentan miles de millones de dólares. Este problema se ha tratado, emplean­do otros materiales híbridos, tales como el aluminio y titanio. También existe otra solución planteada por IBM llamada si-licon-on-insulator. que permitirá redu­cir el tamaño de los chips hasta los 0. i,um. Las soluciones son a corto pla­zo, pues el problema está latente, ya que la capacidad de los equipos actuales está llegando a sus límites.

Estos problemas se están solucionando mediante la implementación de técni­cas que se están desarrollando para la construcción de circuitos moleculares, perfeccionando la purificación de los semiconductores, estudiando otros ma­teriales para el dopaje de los nanocir-cuitos (AgGa)* y empleando otros siste­mas para reducir el espacio de grabado en las placas de silicio con el f in de i n ­troducir mayor cantidad de transistores. También se está trabajando la forma de transmisión de información a nivel i n ­termolecular. Así, I B M está trabando so­bre un fenómeno cuántico denominado espejismo cuántico, en el que no es p o ­sible utilizar cables. El sistema que pre­tenden implementar, proyecta la infor­mación de u n átomo hasta otro p u n t o donde no hay u n átomo.

C o n la evolución de la nanotecnología, será factible reordenar átomos y molé­culas para generar nuevas estructuras a escalas nanométricas, micrométricas y mesoscópicas. Luego, el concepto na-noindustria no será una simple utopía, sino una realidad dentro de pocos años, en la que el ensamble y autoensamble molecular serán los nuevos elementos de trabajo, permit iendo la construcción de na no r o bo t s , n a n o c o m p u t a d o r e s , nanosensores, nanoc i rcu i tos ( A D N , A R N , nanotubos y otras moléculas) , nanoelectrónica, nanointermptores y na-nomateriales entre otros.

COMPUTACIÓN MOLECULAR

L a velocidad de los computadores y su capacidad de almacenamiento de da­tos, han sido las principales barreras en el desarroUo de la inteligencia artificial, la v ida artificial y la robótica. Gracias a los avances en nanotecnología, se p o ­drán desarrollar en pocos años, compu­tadores 100.000 veces más potentes que los actuales. Esta nueva generación de computadores está basada en molécu­las naturales tales como el A D N y el A R N . Las compuertas lógicas emplea­das por los circuitos de cómputo actua­les, serán sustituidas por moléculas, i n ­cluyendo los conectores e interruptores. C o n estos cambios se espera que los nuevos dispositivos de computación

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sean m u c h o más rápidos, versátiles y óptimos.

Para hacer viable la nanoelectrónica en términos industriales enfocado a la com­putación, se está investigando sobre las formas de ensamblaje químico, es de­cir, circuitos que se formen por sí solos y tengan la propiedad de ser autoconfi-gurables y reversibles (dinámicos). Esta tarea titánica debe recurrir a otras dis­ciplinas relacionadas con la nanotec­nología, como ciencia de los n a n o m a -teriales, la química cuántica, química supramolecular , física de materiales y del estado sólido, física cuántica , quí­m i c a c o m p u t a c i o n a l y m o l e t r ó n i c a entre otras.

La investigación más prometedora, está dirigida a la moletrónica, en la cual exis­ten moléculas, que conforman verdade­ros motores moleculares, interruptores nanoescalares y sistemas de almacena­miento molecular estático y dinámico. Para poder construir estos sistemas, se están empleando estructuras químicas moleculares de configuración variable, como son los catenanos, y los rotaxa-nos. Estas moléculas están formadas por anillos o macrociclos entrelazados atra­vesados por un nanohilo recto de molé­culas que pueden ensamblarse entre sí, creando verdaderos cables moleculares.

El rotaxano posee la propiedad de me­m o r i a de forma, en el que según el am­biente donde se encuentre, adopta una configuración particular, haciendo que este proceso sea reversible si el medio cambia. Por esto, estas moléculas son ideales para actuar como interruptores moleculares. (Ver figura 1)

El diseño de estas moléculas añade u n grado de libertad rotacional no asequi­ble a otros sistemas, permit iendo el de­sarrollo de nanodispositivos (interrupto­res) como los nuevos sistemas de alma­cenaje de información, las computado­ras moleculares, permit iendo el paso de electrones prácticamente en forma or­denada y selectiva a través de la molé­cula. L a aplicación de estas moléculas en el diseño de los nuevos computado­res, aumentará su velocidad de proce­samiento (10^* veces más rápidas que

las actuales), a demás de ser extrema­damente pequeñas, se espera que sean m u y baratas.^

Otros dispositivos que se están proban­d o son los basados en nanotubos de carbono, que son cilindros de carbono puro que poseen interesantes propieda­des dieléctricas, eléctricas y semiconduc­toras a nanoescala. Abr iendo el cami­no a la fabricación de circuitos molecu­lares y redes de nanotubos.

Part icularmente se están empleando nanotubos de carbono de pared única, cuya propiedad es no presentar defec­tos geométricos en su estructura mole­cular. Este permite crear uniones entre ellos carbono-carbono de forma hexa­gonal, aumentando su resistencia me­cánica y propiedades eléctricas de for­m a ideal. Entonces, la aplicación de radiación y calor en este nanohilo, p r o ­duce los defectos necesarios para que estos enlaces se formen sin dañar sus propiedades eléctricas. La aplicación de este t ipo de nanotubos está dir igida a crear los conectores necesarios para la operat ividad de los dispositivos nano-electrónicos.

La nanoelectrónica será sin d u d a algu­na el relevo de la microelectrónica. Esta ciencia se ha diversificado rápidamen­te, dando origen a otras disciplinas afi ­nes como son:

Moletrónica o electrónica molecular. Electrónica de espín (espintrónica).

Materiales granulares en forma de lámina delgada. Nanoestructuras magnéticas. Matrices nanométricas.

M o l e t r ó n i c a : Estudia la creación y ma­nipulación de moléculas replicantes y autoreplicantes con características espe­cializadas para aplicaciones electrónicas a nanoescala. Esta nueva tecnología sustituirá a los transistores, diodos y conductores de circuitería de la micro­electrónica actual, en el que las molé­culas empleadas tienen la capacidad de comportarse como u n semiconductor y

sostener cargas, incluso poseer la p r o ­p iedad de funcionar como m e m o r i a . Además se espera que estos nuevos dis­positivos trabajen con una mayor tasa de velocidad de procesamiento, bajo consumo de energía y una alta capaci­dad de almacenamiento - el surgimien­to de los chips moleculares.

E s p i n t r ó n i c a : La explotación del es­pín de u n electrón para llevar informa­ción, en vez de su carga, se l lama es­pintrónica. U n o de sus objetivos es me­jorar la calidad de almacenamiento, m o ­dif icando la clásica memor ia R A M (la cual como es sabido, residen los p r o ­gramas que se están ejecutando en el computador cuando éste se haya encen­dido) , por una memoria R A M magnéti­ca M - R A M .

L a espintrónica proporciona las propie­dades básicas requeridas por tecnologías avanzadas, como la integración en chips de funciones de procesamiento electró­nico, almacenamiento magnético y com­putación cuántica, que dependen de rit­mos coherentes de espín para transmitir y almacenar información. Trabaja en la fabricación de uniones túnel magnéti­co, despolarización en interfases mole­culares y heteroestructuras. Transporte electrónico de biosistemas, plantillas de copolimero de Di-bloque, dispositivos moleculares y química sintética. Tran­sistores orgánicos, cristales fotónicos, materiales magnéticos moleculares y sis­temas mesoscópicos magnéticos. Inge­niería de proteínas y bioingeniería con aplicaciones biomédicas.

M a t e r i a l e s granulares e n f o r m a de l á m i n a delgada: Los materiales granu­lares juegan un importante rol en m u ­chos procesos productivos industriales, como la minería, la geología, la agricul­tura, la ingeniería y la industria farma­céutica, donde cerca de la mi tad de los productos de esta última y al menos los tres cuartos de los materiales en bruto se manejan en f o r m a granular.

L a expresión material granular agrupa todos los materiales compuestos exclu­sivamente por granos o partículas inde­pendientes, que pese a su aparente sim­pl ic idad, su comportamiento permite

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considerar estos materiales como u n nuevo estado de la materia, en el que se compor tan como u n sólido, u n líquido o u n gas, donde la clave está en que los granos no son áto­mos y la interacción entre ellos es m u y distinta a la interac­ción entre moléculas normales. Además de otras propieda­des, como la dilatancia (capacidad de expandirse como u n todo) , la segregación (o separación de las partículas por ta­maño) , la particular distribución de una fuerza aplicada, la formación de dunas o la posibi l idad de sufrir avalanchas.

Nanoest ruc turas m a g n é t i c a s : El estudio está centrado en aplicaciones orientadas al almacenamiento de datos a nivel magnético, memorias de acceso al azar y sensores magnéti­cos: Anisotropías magnéticas y actividad magneto-óptica en aleaciones binarias ordenadas químicamente, magnetismo y magneto-óptica en nanoestructuras de Fe (001) altamente distorsionadas (Efecto de la distorsión de red en la estructura electrónica). Nanoislas de Fe (110) con influencia del desor­den a nivel atómico en la transmisión de interacciones mag­néticas y su consecuencia en el magneto-transporte.

Interacciones magnéticas en sistemas de microbaldosas epi-taxiales, epitaxia sobre GaAs de sistemas híbridos magnéti­cos metal/aislante y magneto-resistencia túnel en uniones túnel epitaxiales. Ensambladores magnéticos túnel, dispositivos espintrónicos, películas finas, nanopartículas, alambres, ani­llos y puntos cuánticos, nanoestructuras semiconductoras y nanoestructuras de carbono.

M a t r i c e s n a n o m é t r i c a s : Consiste en el estudio de las co­rrelaciones entre las microestructuras y propiedades magnéti­cas de materiales que requieren el uso de simulaciones m i -cromagnéticas; estabilidades térmicas y grabación magnéti­ca. Estas simulaciones permiten predecir cualitativamente el comportamiento óptimo de u n material magnético para su posible uso en diversas aplicaciones tales como sensores o M E M S . Se analizan propiedades como la cohersividad y re­manencia de materiales nanoestructurados de alta anisotro-pía tales como S m C o o FePt, modos de inversión e interac­ciones magnéticas, y estabilidad frente a las fluctuaciones térmicas. La simulación también consiste en el desarrollo de nuevos métodos de cálculo y nue­vos modelos más realistas. En este aspecto se trabaja en el desarrollo de métodos numéricos capaces de predecir la estabilidad térmica de u n m e d i o a largo t iempo de la manera más realista posible.

Otros campos de estudio son el diseño de nue­vos materiales magnetorresistentes desde el p u n t o de vista de la química de sólidos inorgá­nicos empleando óxidos con estructura de pe-

alta presión hidrostátíca. Modelado electrodinámico de p r o ­piedades ópticas de nanopartículas para crear nuevos senso­res químicos y biológicos, que poseen alta sensibilidad y se­lectividad mejores que los sensores convencionales.

Aspectos atómicos del crecimiento de sistemas magnéticos de baja dimensional idad para almacenamiento magnético de alta densidad mediante experimentos de difracción de átomos de helio (HAS), de electrones (LEED) y rayos X (XRD), espectroscopia Kerr y simulaciones numéricas para investigar los procesos de crecimiento epitaxial de materiales magnéti­cos como Fe y Co sobre substratos monocristalinos de C u . Espectroscopia Raman en ferrofluídos'' surfactados como ió­nicos en formaciones estiructurales dentro de campos mag­néticos bajos de hasta 0.25Teslas en función de la concen­tración y la temperatura.

Se estudian también los fenómenos relacionados a la locali­zación elect-ónica y distorsiones estructurales en transiciones metal/aislante de óxidos simples. Magnetorresistencia inver­sa en superredes metálicas Fe/Cu. Fuerza de anclaje, m o v i l i ­d a d y efectos de memor ia en superconductores de alta t em­peratura crítica mediante el análisis de la red de sus vórtices, sus defectos topológicos o dislocaciones. E n este caso se estudian el c o m p o r t a m i e n t o físico de materiales tan diver­sos c o m o superconductores de alta temperatura , super-fluidos, materiales magnét icos , metales, cristales líquidos, membranas , etc.

C o n todas las ciencias enunciadas anteriormente, trabajan­d o al tiempo, se espera que dentro de cinco o diez años, sea el almacenamiento de datos. Los controladores de discos han incorporado capas de sust-ato nanométricos, con el f in de aumentar su densidad y así duplicar o cuadruplicar el almacenamiento. I B M en Zurich, trabaja en la miniaturiza­ción del registro de datos (Disco Duro) . El sistema de almace­namiento conocido como «Millipede» está basado en u n con­junto de 1.024 agujas de A F M (Microscopio de Fuerzas Atómi­cas) en una mat-iz cuadrada (ver figura 2) que pueden escribir bits de información de no más de 5 0 n m de diámetro.

rovskita tales como SrgCoWOg, Sr^ReCrOg, S r , R e M n O ^ ,

Sr^CoMoOg, C a g R e M n O g

CagReMCrOg, sintetizadas en diversas condicio­nes tales como atmósfera de aire, de o bajo

Figura 2. Prototipo de chip de matriz cuadrada para computación de alta velocidad, compues­to por 1024 agujas similares a las utilizadas en el microscopio de fuerzas atómicas, capas de

grabar gran cantidad de información en un espacio supremamente reducido. Crédito imagen IBM research

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El objetivo de ¡a nanoelectrónica, es manipular los procesos de construcción

natural (emulando las /eyes que en la naturaleza rigen estos procesos), para obtener a escala industrial sistemas electrónicos de alta

complejidad en un espacio reducido, buscando que los nanodispositivos sinteticen moléculas minimizando factores físicos tales como el ruido térmico o blanco, disipación

térmica, gases tóxicos y la intervención de la mano del hombre, además de reducir y por

qué no anular por completo los contaminantes en el proceso.

El mismo conjunto es capaz luego de leer la información e incluso reescribirla. Estableciendo u n paralelo de este siste­m a con el actual basado en la memor ia magnética puede guardar alrededor de 2Gbits/cm2, e incluso puede alcanzar los 12Gbits/cm2. El «Millipede» puede almacenar entre 35Gbits/cm^ y 80Gbits/cm^ si se utiliza una aguja única.

Si llegase a utilizar millones de agujas, podría lograrse u n almacenamiento del orden de los Terabytes, algo así como de 40 a 50 veces lo que está disponible hoy comercialmente, aparte de la alta velocidad que tendría, que sería el doble de u n disco actual (más de IS.OOOrev). Otra ventaja a parte del tamaño, es su reducido consumo energético y su alta capaci­d a d de memoria . Por ello, el proyecto milpiés consistente en construir millones de pequeñas puntas de manera que unas leen datos y otras procesan, seleccionan y t o m a n decisiones.

U n dato a tener en cuenta es que el proyecto Mil l ipede de I B M ha sido modif icado, aumentando su número de agujas de lectura-escritura a cuatro veces. Esto hace que esta tecno­logía sea mucho más viable de lo que se pensaba, y asequi­ble dentro de pocos años. Tal vez la veamos en la nueva generación de computadores personales.

En el campo de la nanoelectrónica, las nuevas molé­culas con las cuales se está investigando, t ienen la capacidad de comportarse como semiconductores y sostener cargas, incluso funcionar como memorias; esto permitirá que la moletrónica sustituya lo que hace actualmente el silicio, además de mejorar la capacidad de muchos dispositivos electrónicos ac­tuales (microchips de silicio), donde la disipación tér­mica será historia - grave problema de los dispositi­vos actuales- Por ejemplo, investigadores de la University of Illinois en Urbana-Champaign han creado u n transistor^ ca­talogado como el más rápido del m u n d o hasta ahora. C o n

una frecuencia de 509GHz y u n tamaño de 7 5 n m .

Su construcción está basada en indio y otros compuestos exóticos, inherentemente más rápidos que los convenciona­les, capaces de manejar una densidad de corriente m u c h o más alta. El transistor puede cargarse y descargarse más rá­pidamente, mejorando su velocidad, lo cual permitirá crear sistemas de comunicación inalámbrica de alta velocidad más flexibles y seguros, permitiendo realizar conversiones analógi-co-digitales más veloces, para su uso en sistemas de radar y de combate electrónico. Se espera obtener u n transistor que trabaje a una frecuencia de I T H z o más.

COMPUTACIÓN CUÁNTICA.

De la escala molecular se quiere pasar a la escala atómica, para crear el pr imer computador cuántico. Las Universida­des de Harvard y Cornell presentaron, de forma indepen­diente, transistores electrónicos constituidos por dispositivos formados por una sola molécula compuesta por átomos de cobalto-terpiridinil y de una molécula de divanadio, con los que se demostró la capacidad para controlar el flujo de elec­trones a nivel atómico-molecular.

L a computación cuántica difiere totalmente de cualquier sis­tema de cómputo actual, empezando por la forma de codif i ­cación. Clásicamente existen dos estados O y 1 , conocido como código binario ; cuánticamente existen tres estados lla­mados Qubits, O, 1 y 10 o 0 1 , permit iendo el almacena­miento masivo y simultáneo de datos en tres dimensiones. A h o r a , para realizar cálculos más o menos complejos, el computador cuántico requiere mínimo 1.000 partículas.

Para mayores cálculos de alta complej idad, es necesario co­ordinar unas 100.000 partículas. Algo interesante de los com­putadores cuánticos, es su velocidad de procesamiento, cer­cana a la de la luz, el tamaño microscópico que tendrá el dispositivo como tal y las infinitas aplicaciones que se le p o ­drá dar.

El flujo de electrones de u n electrodo al otro se realiza por u n salto en el á tomo de cobalto. L a segunda imagen es una ampliación del anterior, con el agregado de la molécula de

Figura 3. Uno de los prototipos de computador cuántico, es el que está desarrollando la universidad de Cornell, para crear un transistor de un solo

átomo. En cada molécula hay un átomo de cobalto (azul oscuro), retenido por una molécula de piridina (Pyridine, C¡H¡N) y además hay átomos de

azufre (rojo), usados para fijar la molécula a los electrodos de oro.

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pir idina , a m o d o de explicación en el dibujo, toda la molécula (las 6 molécu­las de pir id ina más el á tomo de cobal­to) es una supramolécula. Créditos de las imágenes Marcos M a n u e l Sánchez.

Para que el procesamiento de la infor­mación se efectúe por medio de los n i ­veles energía de determinados átomos, la computadora cuántica hace uso del cómputo en paralelo mediante el em­pleo de los qubits (Quantum Bit) , j u ­gando con los coeficientes de la super­posición cuánt ica de los estados cero y uno , p o t e n c i a n d o la capacidad de cómputo hasta límites in imaginables . Se especula teór icamente , que sería posible preparar las partículas para registrar los inf in i tos estados existen­tes entre el cero y el u n o .

Gracias a la nanoelectrónica,

actualmente existen ya dispositivos implementados

en la industria microelectrónica y las

telecomunicaciones tales como ¡os cristales líquidos

de matriz activa y pasiva en pantallas de monitores y

relojes, xerografía, sensores químicos, biosensores y

nanosensores, sistemas de imágenes de alta definición

\; nanocontactos en dispositivos de estado sólido.

Las ingentes posibilidades que ofrece u n ordenador de este t ipo se potenciaría aún m á s p o r u n extraño f e n ó m e n o cuántico conoc ido c o m o «entrelaza­miento o entanglement», claro está cuan­d o se controle correctamente el fenóme­no de la decoherencia cuántica, pues gracias a esta, los estados internos de superposición cuántica (las partículas elementales existen en varios estados

superpuestos al mismo t iempo) son ex­tremadamente útiles, y a la vez frágiles, ya que al entrar en interacción con el entorno puede destruirlos fácilmente. La decoherencia se produce cuando los áto­mos de u n gas caen de u n nivel energé­tico superior (estado excitado) a u n n i ­vel inferior. Este proceso se l lama emi­sión espontánea, porque al caer emiten espontáneamente u n fotón de luz.

I B M en el Centro de Investigación de Almadén California, se ha propuesto la tarea de desarrollar el pr imer computa­dor cuántico que consta de cinco qubits conformados por cinco átomos de flúor dentro de una molécula que efectúan ciertas rotaciones de sus núcleos, de tal manera que puedan interactuar las unas con las otras como qubits, esto permite que sean «programadas» mediante p u l ­sos de radiofrecuencia y ser medidas o detectadas por m e d i o de resonancia magnética nuclear R M N .

Investigadores del Laboratorio Nacional de Los Alamos han conseguido obtener la coherencia cuántica con una molé­cula de siete qubits, abriendo la posibi­l idad de poder desarrollar en u n futuro próximo sistemas de docenas de qubits, capaces de resolver problemas c o m p u -tacionales no lineales escalares, i m p o ­sibles o no viables para los sistemas de cómputo actual - los períodos de t iem­p o de problemas de alto grado de com­ple j idad sólo los pueden abordar los supercomputadores, pero existen p r o ­blemas tan compl icados , que u n sis­tema de esta categoría tardaría miles de años en obtener u n a solución - o eventualmente desarroüar u n algorit ­m o cuántico.

L a computación cuántica debe superar muchos obstáculos físicos para que se consolide, empezando por coordinar más de 100.000 partículas para obte­ner ordenadores moleculares de capaci­d a d comercial . De superarlos, los nue­vos sistemas de cómputo cuánticos po­drían romper fácilmente cualquier siste­m a de seguridad informático y de cóm­puto en cualquier parte del m u n d o , lo que es u n grave problema para la segu­r idad de cualquier país.

A la par que serán prácticamente invul ­nerables a ser intervenidos. Viendo lo positivo de este asunto, se puede garan­tizar que la información que viaje por medios cuánticos será más segura e i n ­violable, ya que no existe forma de i n ­terceptar mensajes, romper códigos y reenviados sin que el destinatario des­cubra que la información ha sido obser­vada o bajada. De hecho, ya existen empresas que comercializan dispositivos criptográficos basados en las leyes de la mecánica cuántica.

CONCLUSIÓN

Si bien las bases de la nanoelectrónica no están del todo consolidadas, es evi ­dente que el potencial que ofrece a n i ­vel tecnológico es m u y alto y no puede ser ignorado. Esta ciencia v a a revolu­cionar la industria de la electrónica lle­vándola a niveles técnicos y tecnológi­cos sin precedentes. Los chips molecu­lares, dotados de miles de millones de transistores podrán ser producidos en serie a u n costo ínfimo, con prestacio­nes j amás imaginadas, tales como ma­nejar una velocidad de procesamiento miles de veces mayor que u n supercom-putador actual, tendrán una mayor ca­pacidad de memor ia con u n consumo m u y bajo de energía, en el que opera­rán en paralelo emulando una red neu-ronal humana, donde los datos se al­macenarán en tres dimensiones, ya sea en forma atómica, o fotónica. 0

* EL AUTOR

Jairo E. Márquez D. Ingeniero Electró­nico, Físico - Matemático, con especiali-zación en docencia universitaria, bioé­tica, telecomunicaciones y redes. Maes­tría en bioética (Sistemas Emergentes y Nanotecnología). Docente investigador en el área de telecomunicaciones en ¡a Uniuersidad de Cundinamarca UDEC (Fusagasugá), Facultad de Ingeniería Electrónica y de Sistemas. Trabaja en el diseño y desarroUo de antenas fractales e híbridas. Actualmente trabaja para la publicación de su libro sobre Nanotec­nología.

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1 R. L. Carroll, C. Gormar:. Angew. Chem. Int: Ed. 2002. 41. 4378. T. Tsütsui. K. Füjita, Adv. Mater "

2 500 veces más delgadas que un cabello humano. El radio del átomo es sólo unas 1,000 veces menor. El espesor entre capas es del orden de cuatro a cinco átomos en algunos casos.

3 Se están utilizando láseres pulsantes para crear nanopuntos de níquel de 6 y lOnm de diámetro, que los hace ideales para ser empleados en la fabricación de materiales extremadamente duros y memorias de ordenador ultra-densas, erí él que se espera almacenar un bit individual de información en un chip de una pulgada de ancho, y que podría llegar a almacenarse hasta 10 Térahits de datos, más de treinta mil rnillones,de operaciones por segundo.

Estos nanopuntos van a ser la próxima generación de diodos emisores de luz (LEDs), que serán más eficientes que los actuales, y se espera que duren décadas, gastando una fracción de energía consumida por una bombilla fluorescente.

Con esta tecnología, se permite el desarrollo de materiales nanoestructurados para almacenamiento de información, transistores de varios tipos, biomateriales y recubrimientos superfuertes. entre otros,

4 El arseniuro de galio es superior al silicio en muchos aspectos como: velocidad con la cual los electrones se desplazan en el medio, mejor respuesta en las operaciones con señales débiles (bajo nivel de ruido), rnayor capacidad de detección de la luz y la facilidad con ¡a que pueden modificarse las separaciones entre sus bandas electrónicas, ¿Por qué no se ha implementado aún? Porque los costos de construcción e implementación de equipos a escala industrial los hace excesivamente elevados. -•-

5 Es importante resaltar, que actualmente se está desarrollando un proyecto para la construcción de la primera.computadora molecular El proyecto se conoce con las siglas en ingles CAEN (Chemically Assembled Electronic Nanocomputers), nanocomputadoras electrónicas químicamente ensambladas.

6 Los ferrofluídos son suspensiones coloidales de partículas magnéticas de unos pocos nanómetros de diámetro con crecientes y múltiples aplicaciones en la técnica y medicina, debido a sus peculiares propiedades físicas como su comportamiento -superparamagnético. La espectroscopia de Raman permite observar los estados de vibración molecular, y sirve como una huella digital para la identificación de moléculas específicas.

7 El transistor es el elemento central de ¡os microprocesadores que aloja centenares de miles de ellos. Funcionan como llaves electrónicas de tres contactos en el que uno de ellos regula la conducción de corriente entre los otros dos. Para otras aplicaciones los transistores existen

- como corriponentes individuales con tres patas que están soldadas a la plaqueta.

Debido a la constante miniaturización de los dispositivos electrónicos, tía posibilitado ¡a integración de una mayor cantidad de éstos en un espacio intermedio entre lo micrométrico y lo nanometrico. Por lo tanto, al colocar millones de unidades dentro de un solo chip se logra obtener niveles de integración que se manejan actualmente en los microprocesadores. De ahí que derive el nombre de circuito integrado.

BIBLIOGRAFÍA RECoiyiENDADA

- NanDcieftSia en Tecnología Electrónica y Computacional. ^.Disponible en http:, \wAv,mitre.org/center5AA;c3;'nanotech

- Información del CEA sobre Quantronium: Disponible en http://wwwxeair/fr/actualites/articles.asp

- Grupo qüantrónico: http://www.dreacam.cea,fr/drecam/apec/Pres/Quantro/index.htm

- SBIR Bioengineering Nanotechnology Initiative. Disponible en http;//grants.nih.gov/grants/guide/pa-files;PA-00-018.htm!

innoyative Approaches to Developing New Technologies. •;;'l3ispíón¡bieenhttp: ''grantsjiih.gov/grants/'guide/pa-files/PAR-98-047.html

Manipulación de u n estado cuántico en u n circuito eléctrico: Disponible en http://www.drecam.cea.fr/drecam/spec/Pres/Quantro/Qsite/archives/preprints/Quantronium

- Base y fundamento de los ordenadores cuánticos: Disponible en http://www.webzinemaker.com/'admi/m6/page.php3?num_web=1604&rubr==4&id=10460

- Explicación de los procesos de decoherencia:

Disponible en http://www.webzinemaker.com/admi/m6/page.php3?num_web=1604&rubr=4&id=8433

- Nanociencia en Física. Disponible en http://www.vjnano.org/'

- NANOSPAIN, Disponible en http://www.cmpxientifica.coni/frameworks/generic/public_users/nanospain/nanospain.htra

- Institutefor molecular manufacturingwww.imrñ.org

- ZHIRNOX^Victor. HERR, Daniel. New frontiers: Self-Assembly and Nanoelecti-onics. Computer, May 2 0 0 1 . Vol. 34, issüe 5, p. 34 -43 .

- DREXLER K, Eric, Molecular engineering: A n approach to the development of generalcapabilities for molecular manipulation, Proceedings of the Nat ionalAcademy of Sciences (USA). Vol, 78. p p , 5 2 7 5 - 7 & 1981 .

- DREXLER K. Eric, Nanotechnology, Engines of Creation. Anchor Books/Doubleday, originally published in 1986.

- T O I G O Jon Wil l im, La Crisis de las Memorias Masivas, Scientific American, Julio de 2000, ,. ,

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