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Físicos acaban de encontrar un resquicio en el grafeno que podría desbloquear una energía limpia e ilimitada
Con todas las medidas, el grafeno no debería existir. El hecho es que se reduce a un claro vacío en la física que ve una lámina 2D imposible, de átomos actuar como un material 3D sólido.
Nuevas investigaciones han profundizado en el ondulamiento del grafeno, descubriendo un fenómeno físico a escala atómica que podría ser explotado como una forma de producir un suministro virtualmente ilimitado de energía limpia.
El equipo de físicos liderado por investigadores de la Universidad de Arkansas (EE.UU.) no se propuso descubrir una nueva forma radical de alimentar dispositivos electrónicos. Su objetivo era mucho más humilde: simplemente observar cómo se mueve el grafeno.
Todos estamos familiarizados con el material negro arenoso a base de carbón llamado grafito, que comúnmente se combina con un material cerámico para hacer la llamada’ mina’ en lápices. Lo que vemos como manchas dejadas por el lápiz son en realidad hojas apiladas de átomos de carbono dispuestas en un patrón de «alambre de gallina». Como estas hojas no están unidas entre sí, se deslizan fácilmente unas sobre otras.
Durante años, los científicos se preguntaron si era posible aislar láminas individuales de grafito, dejando que un plano bidimensional de’ malla metálica’ de carbono permaneciera por sí solo.
En 2004, un par de físicos de la Universidad de Manchester lograron lo imposible, aislando las hojas de un trozo de grafito que era sólo un átomo de grosor. Para existir, el material 2D tenía que ser tramposo de alguna manera, actuando como un material 3D para proporcionar algún nivel de robustez.
Resulta que la «laguna» era el movimiento aleatorio de átomos que saltaban de un lado a otro, dando a la hoja 2D de grafeno una práctica tercera dimensión. En otras palabras, el grafeno era posible porque no era perfectamente plano en absoluto, sino que vibraba a nivel atómico de tal manera que sus enlaces no se desentrañaban espontáneamente.
Para medir con precisión el nivel de esta confusión, el físico Paul Thibado lideró recientemente un equipo de estudiantes graduados en un simple estudio. Pusieron láminas de grafeno a través de una rejilla de cobre de apoyo y observaron los cambios en las posiciones de los átomos usando un microscopio de barrido de túnel.
Mientras que podían registrar el balanceo de los átomos en el grafeno, los números no encajaban realmente en ningún modelo esperado. No pudieron reproducir los datos que estaban recopilando de un ensayo a otro. «Los estudiantes sentían que no íbamos a aprender nada útil», dice Thibado,»pero me preguntaba si estábamos haciendo una pregunta demasiado simple».
Thibado impulsó el experimento en una dirección diferente, buscando un patrón cambiando la forma en que miraban los datos. «Separamos cada imagen en subimágenes», dice Thibado. «Mirando los promedios a gran escala se ocultaron los diferentes patrones. Cada región de una sola imagen, cuando se veía en el tiempo, producía un patrón más significativo.»
El equipo rápidamente descubrió que las hojas de grafeno se doblaban de una manera no muy diferente a como se doblaban hacia adelante y hacia atrás de una pieza doblada de metal delgado mientras se retorcía por los lados.
Los patrones de pequeñas fluctuaciones aleatorias que se combinan para formar cambios repentinos y dramáticos se conocen como vuelos de Lévy. Si bien han sido observados en sistemas complejos de biología y clima, esta fue la primera vez que fueron vistos a escala atómica.
Al medir la velocidad y escala de estas ondas de grafeno, Thibado pensó que podría ser posible utilizarlas como fuente de energía a temperatura ambiente. Mientras la temperatura del grafeno permitiera que los átomos se movieran incómodamente, continuaría ondulando y doblándose.
Coloque los electrodos a cada lado de las secciones de este grafeno pandeo, y usted tendría un pequeño cambio de voltaje.
Según los cálculos de Thibado, un solo trozo de grafeno de diez micrones por diez micrones podría producir diez microwatios de potencia. Puede que no suene impresionante, pero dado que podría caber más de 20000 de estos cuadrados en la cabeza de un alfiler, una pequeña cantidad de grafeno a temperatura ambiente podría, posiblemente, alimentar algo pequeño como un reloj de pulsera indefinidamente. Mejor aún, podría alimentar bioimplantes que no necesiten baterías incómodas.
Por muy emocionantes que sean, estas aplicaciones todavía necesitan ser investigadas. Afortunadamente Thibado ya está trabajando con científicos del Laboratorio Naval de Investigación de los Estados Unidos para ver si el concepto tiene potencial.
Para una molécula imposible, el grafeno se ha convertido en algo así como un material maravilloso que ha girado la física en su cabeza.
Ya está siendo promocionado como un bloque de construcción para futuros conductores. Tal vez también veamos que también va a impulsar el futuro de un nuevo campo de dispositivos electrónicos.
Esta investigación fue publicada en Physical Review Letters.
Material ‘magnetoeléctrico’ promete ser una memoria para la electrónica
Los teléfonos inteligentes y los ordenadores no serían tan útiles sin espacio para muchas aplicaciones, música y vídeos. Los dispositivos tienden a almacenar esa información de dos maneras: a través de los campos eléctricos (piensa en una unidad flash) o a través de los campos magnéticos (como el disco duro del ordenador). Cada método tiene ventajas y desventajas. Sin embargo, en el futuro, nuestra electrónica podría beneficiarse de lo mejor de cada uno.
«Hay un concepto interesante», dice Chang-Beom Eom, profesor de Theodore H. Geballe y Harvey D. Spangler, profesor distinguido de Ciencia e Ingeniería de Materiales en la Universidad de Wisconsin-Madison. «¿Pueden acoplarse estas dos formas diferentes de almacenar información? ¿Podríamos usar un campo eléctrico para cambiar las propiedades magnéticas? Entonces usted puede tener un dispositivo multifuncional de baja potencia. Llamamos a esto un dispositivo ‘magnetoeléctrico'».
En una investigación publicada recientemente en la revista Nature Communications, Eom y sus colaboradores describen no sólo su proceso único para hacer un material magnetoeléctrico de alta calidad, sino también cómo y por qué funciona.
Los materiales magnetoeléctricos — que tienen funcionalidades magnéticas y eléctricas — ya existen. La conmutación de una funcionalidad induce un cambio en la otra. «Se llama cross-coupling», dice Eom. «Sin embargo, cómo se cruzan no se entiende claramente.»
Obtener esa comprensión, dice, requiere estudiar cómo cambian las propiedades magnéticas cuando se aplica un campo eléctrico. Hasta ahora, esto ha sido difícil debido a la complicada estructura de la mayoría de los materiales magnetoeléctricos.
En el pasado, dice Eom, la gente estudiaba las propiedades magnetoeléctricas usando materiales muy «complejos», o aquellos que carecen de uniformidad. En su enfoque, Eom simplificó no sólo la investigación, sino también el propio material.
Aprovechando su experiencia en el desarrollo de materiales, desarrolló un proceso único, utilizando «pasos» atómicos, para guiar el crecimiento de una fina película homogénea y monocristalina de ferrita de bismuto. Encima de eso, agregó cobalto, que es magnético; en el fondo, colocó un electrodo hecho de rutenato de estroncio.
El material de ferrita bismuto fue importante porque facilitó mucho el estudio del acoplamiento cruzado magnetoeléctrico fundamental por parte de Eom.
«Nos dimos cuenta de que en nuestro trabajo, debido a nuestro dominio único, podíamos ver lo que estaba ocurriendo utilizando múltiples sondeos o técnicas de imágenes», dice. «El mecanismo es intrínseco. Es reproducible, y eso significa que puedes hacer un dispositivo sin degradación alguna, de forma predecible».
Para visualizar el cambio de las propiedades eléctricas y magnéticas en tiempo real, Eom y sus colegas utilizaron las potentes fuentes de luz sincrotrón en el Argonne National Laboratory de Chicago, así como en Suiza y el Reino Unido.
«Cuando lo cambias, el campo eléctrico cambia la polarización eléctrica. Si está hacia abajo, cambia hacia arriba», dice. «El acoplamiento a la capa magnética cambia sus propiedades: un dispositivo de almacenamiento magnetoeléctrico.»
Ese cambio de dirección permite a los investigadores dar los siguientes pasos necesarios para añadir al material circuitos integrados programables, los componentes básicos que constituyen la base de nuestra electrónica.
Aunque el material homogéneo permitió a Eom responder a importantes preguntas científicas sobre cómo se produce el acoplamiento cruzado magnetoeléctrico, también podría permitir a los fabricantes mejorar su electrónica. «Ahora podemos diseñar un dispositivo mucho más eficaz, eficiente y de baja potencia», afirma.
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El equipo de Eom incluye tanto teóricos como experimentalistas, incluyendo al profesor de física Mark Rzchowski, profesor de la Universidad de Madison y colaboradores en Diamond Light Source en Inglaterra, Temple University, la Universidad de Oxford, el Laboratorio Nacional Argonne, Swiss Light Source, el Instituto de Ciencia y Tecnología de Luxemburgo y la Universidad de Northern Illinois.
Este trabajo fue apoyado por la Oficina de Investigación del Ejército (W911NF-10-1-0362 y W911NF-13-1-0486) y el Departamento de Energía (DE-FG02-03ER46097 y DE-AC02-06CH11357).
Renee Meiller, (608)262-2481, meiller@engr.wisc.edu
Un material con propiedades prometedoras
El Collaborative Research Center CRC 1214 de la Universidad de Konstanz ha desarrollado un método para sintetizar nanopartículas de óxido de europio (II), un semiconductor ferromagnético que es relevante para el almacenamiento y transporte de datos.
Los semiconductores ferromagnéticos han atraído una atención creciente en la última década. Sus propiedades los convierten en materiales funcionales prometedores que se pueden utilizar en el campo de la electrónica basada en espín (espintrónica). La espintrónica es de crucial importancia para el almacenamiento y transporte de información. En una colaboración interdisciplinaria, los investigadores de la Universidad de Konstanz desarrollaron con éxito un método para sintetizar nanopartículas de óxido de europio (II) (EuO), un semiconductor ferromagnético con propiedades extremadamente prometedoras. Los investigadores también demostraron que las nanopartículas tienen propiedades magnéticas debido a su estructura. Los resultados del proyecto de investigación conjunta se han publicado en la edición del 20 de noviembre de 2017 de la revista científica Advanced Materials .
La colaboración de los grupos de investigación dirigidos por el profesor Sebastián Polarz (química inorgánica), el profesor Mikhail Fonin (física experimental) y el profesor Ulrich Nowak (física teórica) de la Universidad de Konstanz, así como el equipo de microscopía electrónica del Instituto Leibniz para Solid State and Materials Research Dresden (IFW Dresden), dirigido por el Dr. Axel Lubk, se llevó a cabo en el marco del Centro de Colaboración de la Universidad de Konstanz (SFB) «Partículas anisotrópicas como bloques de construcción: Adaptación de la forma, interacciones y estructuras». «Sin la cooperación de estos equipos de investigación, no podríamos haber logrado estos resultados», dice Bastian Trepka, autor principal del estudio y miembro del equipo de investigación de Sebastian Polarz Functional Inorganic Materials, donde se han sintetizado las nanopartículas.
Las propiedades de las nanopartículas anisotrópicas y magnéticas están en el centro del proyecto de investigación A5 del SFB. Anisotrópico significa que la forma y las propiedades magnéticas, ópticas o electrónicas no son idénticas para todas las direcciones espaciales de la partícula. Esto, a su vez, permite investigar no solo las propiedades nuevas y a menudo mejoradas de los materiales nanoestructurados, sino también las propiedades adicionales causadas por la anisotropía.
La producción de nanopartículas a partir de semiconductores ferromagnéticos como el óxido de europio (II) constituye un gran desafío, especialmente en la geometría anisotrópica. Después de todo, las partículas con las nuevas propiedades interesantes esperadas también deben ser anisotrópicas. «El objetivo es profundizar nuestra comprensión para que podamos modular y acceder a las propiedades de los nanosistemas bajo demanda», dice el autor principal, Trepka. Usando su método especial, los investigadores lograron producir nanopartículas de EuO de alta calidad y anisotrópicas que pueden usarse para observar los efectos de la estructura de la propiedad.
El método se basa en un proceso de dos etapas. En un primer paso, se produce un material híbrido que consta de componentes orgánicos e inorgánicos, que ya es anisotrópico. En el siguiente paso, el material híbrido se trata con vapor de europio. Como resultado, se convierte químicamente en EuO. En este caso, la forma de las nanopartículas es tubular. «Este método es interesante porque no se limita a formas tubulares. También es posible producir varillas», explica Bastian Trepka.
Además, los investigadores pudieron demostrar que las propiedades magnéticas del semiconductor óxido de Europio (II) están realmente relacionadas con la forma de su nanoestructura, o más bien la anisotropía. Después de un tratamiento adicional al intentar generar contra evidencia, las formas tubulares desaparecieron, dando como resultado diferentes propiedades. «Los físicos experimentales llevaron a cabo mediciones que confirmaron los resultados que habían sido simulados por los físicos teóricos. Esto nos permitió desarrollar ideas sobre cómo la estructura produce este comportamiento magnético particular», explica Bastian Trepka.
«Lo que es realmente especial acerca de nuestro proceso es la separación del control de la estructura y la transformación química. Podemos obtener diferentes formas del mismo material influyendo en la forma a través del control del proceso. De esta forma siempre conseguiremos que el material adopte la forma que necesitamos» , dice Trepka. En el caso del óxido de europio (II), se trata de una nanotransformación topotáctica que mantiene su dirección cristalina: es tubular tanto antes como después del tratamiento.
«Un material inteligente con una variedad de propiedades», dice Bastian Trepka de Europium (II) oxide. Sobre todo, tiene una estructura cristalina simple. «Podemos explicar los cambios en las propiedades que apelan a las estructuras cristalinas, que están predeterminadas». Esto es ideal para la investigación básica.
Ampliar en: https://doi.org/10.1002/adma.201703612
Intel presenta un chip superconductor de 17 qubits
Intel anunció la entrega de un chip de prueba superconductor de 17 qubits para computación cuántica a QuTech, el socio de investigación cuántica de Intel en los Países Bajos. El nuevo chip fue fabricado por Intel y cuenta con un diseño único para mejorar el rendimiento y las prestaciones.
La entrega de este chip demuestra el rápido progreso que Intel y QuTech están haciendo en la investigación y el desarrollo de un sistema de computación cuántica en funcionamiento. También subraya la importancia de la ciencia de los materiales y la fabricación de semiconductores para hacer realidad la promesa de la informática cuántica.
La computación cuántica, en esencia, es lo último en computación paralela, con el potencial de abordar problemas que los ordenadores convencionales no pueden manejar. Por ejemplo, los ordenadores cuánticos pueden simular la naturaleza para avanzar en investigación química, ciencia de los materiales y modelado molecular, como ayudar a crear un nuevo catalizador para capturar dióxido de carbono, un superconductor a temperatura ambiente o descubrir nuevos fármacos.
Sin embargo, a pesar de los grandes avances experimentales y la especulación, existen desafíos inherentes a la construcción de sistemas cuánticos viables y a gran escala que produzcan resultados precisos. Uno de esos obstáculos es la uniformidad y estabilidad de los qubits (los bloques básicos de la computación cuántica).
Los Qubits son tremendamente frágiles, y cualquier ruido u observación involuntaria de ellos puede causar pérdida de datos. Esta fragilidad requiere que operen a una temperatura de alrededor de 20 millikelvin, 250 veces más fría que el espacio profundo, y este entorno operativo extremo hace que el empaquetado de qubits sea clave para su rendimiento y función. El Grupo de Investigación de Componentes (CR) de Intel en Oregon y los equipos de Pruebas de Ensamblaje y Desarrollo de Tecnología (ATTD) en Arizona están sobrepasando los límites del diseño de chips y la tecnología de empaque para abordar los desafíos únicos de la computación cuántica.
Aproximadamente del tamaño de un cuarto (en un envase del tamaño de una moneda de medio dólar), las características de diseño mejoradas del nuevo chip de prueba de 17 bits incluyen:
– Nueva arquitectura que permite mejorar la fiabilidad, el rendimiento térmico y reducir la interferencia de radiofrecuencia (RF) entre los qubits.
– Esquema de interconexión escalable que permite 10-100 veces más señales de entrada y salida del chip en comparación con los chips conectados por cable.
– Procesos, materiales y diseños avanzados que permiten a los dispositivos de empaquetado de Intel escalar para circuitos cuánticos integrados, que son mucho más grandes que los chips de silicio convencionales.
«Nuestra investigación cuántica ha progresado hasta el punto de que nuestro socio QuTech está simulando cargas de trabajo de algoritmos cuánticos, e Intel está fabricando nuevos chips de prueba de qubit con regularidad en nuestras modernas instalaciones de fabricación», afirmó el Dr. Michael Mayberry, vicepresidente corporativo y director general de Intel Labs. «La experiencia de Intel en fabricación, electrónica de control y arquitectura nos distingue y nos servirá de la mejor manera a medida que nos adentramos en nuevos paradigmas de computación, desde la informática neuromórfica a la cuántica».
La relación de colaboración de Intel con QuTech para acelerar los avances en computación cuántica comenzó en 2015. Desde entonces, la colaboración ha logrado muchos hitos: desde demostrar los bloques de circuitos clave para un sistema de control criogénico-CMOS integrado, hasta desarrollar un flujo de fabricación de qubit spin en la tecnología de proceso de 300 mm de Intel, y desarrollar esta solución de empaque única para los qubits superconductores. A través de esta asociación, el tiempo desde el diseño y la fabricación hasta la prueba se ha acelerado enormemente.
Con este chip de prueba, nos centraremos en conectar, controlar y medir múltiples y entrelazadas salidas hacia un esquema de corrección de errores y un qubit lógico «, del profesor Leo DiCarlo de QuTech. «Este trabajo nos permitirá descubrir nuevos conocimientos en computación cuántica que darán forma a la próxima etapa de desarrollo».
Avance del sistema de computación cuántica
El trabajo de Intel y QuTech en computación cuántica va mucho más allá del desarrollo y prueba de dispositivos de qubit superconductores. La colaboración abarca todo el sistema cuántico -o «pila» – desde los dispositivos de qubit hasta la arquitectura de hardware y software necesaria para controlar estos dispositivos, así como las aplicaciones cuánticas. Todos estos elementos son esenciales para que la computación cuántica avance de la investigación a la realidad.
Además, a diferencia de otros, Intel está investigando varios tipos de qubit. Estos incluyen los qubits superconductores incorporados en este nuevo chip de prueba, y un tipo alternativo llamado spin qubits en silicio. Estos espín qubits se asemejan a un transistor de un solo electrón similar en muchos aspectos a los transistores convencionales y potencialmente capaz de ser fabricado con procesos comparables.
Mientras que las computadoras cuánticas prometen mayor eficiencia y rendimiento para manejar ciertos problemas, no reemplazarán la necesidad de computación convencional u otras tecnologías emergentes como la computación neuromórfica. Y necesitaremos los avances técnicos que la ley de Moore ofrece para inventar y ampliar estas tecnologías emergentes.
Intel está invirtiendo no sólo para inventar nuevas formas de computación, sino también para avanzar en la fundamentación de la Ley de Moore, que hace posible este futuro.
Ampliar en: nextBIG FUTURE
Fraunhofer investigará la electrónica biodegradable para implantes activos
Un año después de iniciar este proyecto, los socios investigadores Fraunhofer Institute for Electronic Nano Systems ENAS, el Fraunhofer Institute for Biomedical Engineering IBMT, el Fraunhofer Institute for Silicate Research ISC, y el Fraunhofer Resource Recycling and Strategy Project Group IWKS y Fraunhofer FEP presentarán sus primeros resultados durante el Semicon Europe 2017 como parte de productronica 2017 en Munich.
Los componentes electrónicos que se pueden descomponer por completo en un entorno biológico después de una vida útil predefinida abren nuevas posibilidades de aplicación, así como formas de reducir su huella ecológica. Para ello, Fraunhofer FEP ha desarrollado tecnologías de vacío para la fabricación de materiales conductores biodegradables en sustratos biodegradables. Los implantes médicos activos construidos con componentes biodegradables podrían ser reabsorbidos por el tejido, ahorrando al paciente una segunda intervención quirúrgica para la extracción del implante después de su vida útil.
La Fraunhofer Gesellschaft e. V. está financiando el proyecto «BioElektron – Biodegradable Electronics for Active Implants» a través de su programa interno (financiamiento No. MAVO B31 301).
Este proyecto se centrará en el desarrollo de componentes esenciales para las piezas electrónicas biodegradables que se emplearán, por ejemplo, en un implante. Entre ellas se incluyen las estructuras conductoras biodegradables, los electrodos biodegradables para recoger señales eléctricas o suministrar estimulación eléctrica (por ejemplo, para la monitorización cerebral), los transistores y circuitos biodegradables de película delgada y todas sus capas asociadas de aislamiento eléctrico y de protección contra la humedad y los gases. Todos estos elementos deben integrarse monolíticamente en un dispositivo flexible de película delgada.
El magnesio es conocido por ser un metal biodegradable y biológicamente compatible y ya se emplea en entornos clínicos como material de implante absorbible. Basándose en los procesos de evaporación y deposición térmica al vacío, Fraunhofer FEP desarrolla estructuras conductoras y transistores orgánicos de capa fina a base de magnesio. El reto consiste en depositar este metal sobre láminas poliméricas biodegradables que el magnesio no se adhiere lo suficiente al control normal del proceso. Mediante un pretratamiento adecuado de los sustratos mediante una combinación de secado, tratamiento con plasma y capas de semillas se pueden producir estructuras conductoras de alta calidad y finamente estructuradas.
«Ahora estamos preparados para discutir estos resultados con socios interesados de la industria y la comunidad científica durante la productronica 2017 en el stand conjunto Silicon-Sajonia (pabellón B1, stand B1-416) con el fin de poder aplicarlos en las aplicaciones prácticas actuales», explica el Dr. Michael Hoffmann de Fraunhofer FEP y director del proyecto bioElektron.
Fuente: www.fep.fraunhofer.de/en/ueber-uns/projekte/bioElektron.html
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Viendo la próxima dimensión de los chips de ordenador
Una colaboración de investigación entre la Universidad de Osaka y el Instituto de Ciencia y Tecnología de Nara utilizó por primera vez la microscopía de barrido en túnel (STM) para crear imágenes de superficies laterales atómicamente planas de cristales de silicio 3D. Este trabajo ayuda a los fabricantes de semiconductores a seguir innovando y, al mismo tiempo, produce chips de ordenador más pequeños, rápidos y eficientes energéticamente para ordenadores y teléfonos inteligentes.
Nuestros ordenadores y teléfonos inteligentes están cargados con millones de pequeños transistores. La velocidad de procesamiento de estos dispositivos ha aumentado dramáticamente con el paso del tiempo a medida que aumenta el número de transistores que pueden caber en un solo chip de ordenador. Basado en la Ley de Moore, el número de transistores por chip se duplicará cada dos años, y en esta área parece que se mantiene. Para mantener este ritmo de rápida innovación, los fabricantes de ordenadores están continuamente en busca de nuevos métodos para hacer que cada transistor sea cada vez más pequeño.
Los microprocesadores actuales se fabrican añadiendo patrones de circuitos a las obleas de silicio plano. Una forma novedosa de crear más transistores en el mismo espacio es fabricar estructuras 3D. Los transistores de efecto de campo de tipo aleta (FET) se denominan así porque tienen estructuras de silicio parecidas a las aletas que se extienden hacia el aire, fuera de la superficie del chip. Sin embargo, este nuevo método requiere un cristal de silicio con superficies superiores y laterales perfectamente planas, en lugar de sólo la superficie superior, como ocurre con los dispositivos actuales. El diseño de la próxima generación de chips requerirá nuevos conocimientos sobre las estructuras atómicas de las superficies laterales.
Ahora, investigadores de la Universidad de Osaka y del Instituto de Ciencia y Tecnología de Nara informan que han utilizado STM para visualizar por primera vez la superficie lateral de un cristal de silicio. STM es una técnica poderosa que permite ver la ubicación de los átomos de silicio individuales. Al pasar una punta afilada muy cerca de la muestra, los electrones pueden saltar a través de la separación y crear una corriente eléctrica. El microscopio monitoreó esta corriente y determinó la ubicación de los átomos en la muestra.
«Nuestro estudio es un gran primer paso hacia la evaluación de transistores con resolución atómica diseñada para obtener formas tridimensionales», dice la coautora del estudio Azusa Hattori.
Para hacer que las superficies laterales sean lo más suaves posible, los investigadores primero trataron los cristales con un proceso llamado ataque de iones reactivos. El coautor Hidekazu Tanaka dice: «Nuestra habilidad de mirar directamente las superficies laterales usando STM demuestra que podemos hacer estructuras artificiales en 3D con superficies atómicas casi perfectas».
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Adopción masiva de tecnologías láser para la fabricación de semiconductores
Los fabricantes de semiconductores disponen hoy en día de una amplia variedad de tecnologías láser que permiten el desarrollo de procesos innovadores de fabricación de semiconductores. Según Yole Développement (Yole), el mercado de los equipos láser crecerá a una tasa de crecimiento del 15% CAGR entre 2016 y 2022 y debería alcanzar más de 4000 millones de dólares para 2022 (excluyendo el marcado). Estas cifras muestran la adopción masiva de tecnologías láser para los procesos de fabricación de semiconductores.
En su último informe titulado Laser Technologies for Semiconductor Manufacturing, la compañía consultora de investigación de mercado y estrategia detalla el estado de esta industria, impulsada principalmente por el troquelado, a través de perforaciones y patrones en PCB flex y PCB HDI, sustratos de CI y procesamiento de dispositivos semiconductores.
El informe de Yole Laser Technologies for Semiconductor Manufacturing proporciona un análisis exhaustivo de los diferentes equipos láser existentes y soluciones de fuentes láser desarrolladas para los pasos del proceso de semiconductores. Se trata de un análisis exhaustivo que resalta el nivel de madurez de cada tipo de láser, basado en una hoja de ruta técnica hasta el año 2022. Con este nuevo informe, los analistas de Yole ofrecen un claro entendimiento de los beneficios de las tecnologías láser y el valor agregado para cada proceso de fabricación.
El informe Laser Technologies for Semiconductor Manufacturing es el primero de una amplia colección de informes que Yole publicará en los próximos meses. Además, su 1st Executive Forum on Laser Technologies, que se lleva a cabo en Shenzhen, China, acogiendo a más de 100 asistentes, la empresa de investigación de mercado y consultoría estratégica «More than Moore» Yole confirma la expansión de sus actividades hacia las soluciones basadas en láser. Tecnologías, hojas de ruta, métricas de mercado, cadena de suministro, panorama competitivo, cuotas de mercado y mucho más. Todos estos temas serán descritos y analizados a fondo en los informes de mercado y tecnología láser de Yole.
Hoy en día, las aplicaciones de láser en la industria de los semiconductores son amplias y diversificadas. Varias tecnologías láser han comenzado a integrarse en los principales procesos de semiconductores, incluyendo el corte por láser, perforación, soldadura/adhesión, despegues, marcado, estampado, marcado, medición, deposición, y control por placas madre. Se utilizan para procesar dispositivos semiconductores, placas de circuito impreso flexibles y HDI, así como en aplicaciones de embalaje IC.
Los controladores de los métodos láser difieren de un paso del proceso a otro. Sin embargo, existen controladores similares y comunes para la aplicabilidad de los láseres a las aplicaciones de procesamiento de semiconductores y PCB. Las tendencias clave que impulsan la aplicabilidad del láser y contribuyen a su crecimiento son:
- El deseo de reducir el tamaño del troquel y, por lo tanto, de miniaturizar aún más los dispositivos accionados por ordenadores, dispositivos electrónicos portátiles como teléfonos móviles, tabletas y lectores de libros electrónicos, dispositivos portátiles y electrónica de consumo.
- Demanda de mayor rendimiento y rendimiento.
- Mejor calidad de troquelado.
- La necesidad de inspeccionar vacíos y partículas a través de un material transparente como el vidrio, que requiere el uso de métodos láser.
- Recocido por láser para una gran flexibilidad.
Sin embargo, la elección del tipo de procesamiento láser más adecuado depende en gran medida del material a procesar, los parámetros de procesamiento y el paso del proceso de fabricación.
El tipo de láser se define por parámetros como la longitud de onda, la emisión de luz UV, verde o IR, por ejemplo, así como la duración del pulso, por ejemplo, nanosegundo, picosegundo o femtosegundo. Los usuarios deben considerar qué longitud de pulso y longitud de onda es la correcta para su etapa de proceso y aplicación en semiconductores.
Los láseres de Nanosegundos son el tipo de láser más comúnmente utilizado en la fabricación de semiconductores y en el procesamiento de PCB, con una cuota de mercado superior al 60%. Les siguen los láseres de picosegundos, CO2 y femtosegundos. En el caso del paso de troquelado, la elección del tipo láser también depende del material y del sustrato a trocear. Para materiales de baja constante dieléctrica (baja k) se utilizan láseres UV de nanosegundos y picosegundos para optimizar la absorción óptica. Los láseres de infrarrojos Picosegundo y femtosegundo se utilizan típicamente para cortar sustratos de vidrio y zafiro, pero no para sustratos de SiC aislantes.
En la perforación, el tipo de láser empleado depende del sustrato. Los láseres UV de Nanosegundo se emplean generalmente en PCB flexibles, mientras que los láseres de CO2 se aplican en gran medida para sustratos de PCB HDI e IC. Sin embargo, para los sustratos de CI, la elección entre láser de CO2 y láser de nanosegundo o picosegundo UV depende de los diámetros de vía. Por debajo de los diámetros de 20 microm, la industria tiende a utilizar láseres UV de picosegundo, que son mucho más caros que los láseres UV de nanosegundo, pero que ofrecen una calidad superior.
En términos generales, el CO2 es la solución láser más barata y rápida y se utiliza en lugar de los láseres de estado sólido de nanosegundos, picosegundos o femtosegundos para cortar en cuadraditos, taladrar, estampar, marcar para aplicaciones que requieren alta potencia y no se preocupan por el daño por calor o la anchura de corte. Sin embargo, el CO2 es limitado cuando se necesitan características pequeñas. Los láseres de Nanosegundos son actualmente la tecnología dominante, pero los láseres de picosegundos y femtosegundos podrían avanzar en el mercado de equipos de corte láser. Sin embargo, la implementación del láser femtosegundo es más compleja y costosa.
El informe láser de Yole proporcionará una visión general completa del equipamiento láser y las fuentes láser utilizadas para cada aplicación de los pasos del procesamiento de semiconductores, junto con un análisis detallado de las tendencias de la tecnología láser y una previsión del mercado. También ofrecerá un análisis detallado del mercado de equipos láser por volumen y valor, su crecimiento para el período 2016-2022, y su desglose por tipo de láser y aplicación de pasos de proceso.
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Tesla está trabajando en su propio chip de AI para autoconducción
AMD ayudaría a Tesla con el desarrollo del chip. Aparentemente, el fabricante de autos eléctricos ya ha recibido las primeras muestras del prototipo de su procesador para probar, según el informe. La construcción de un chip específico diseñado enteramente para la conducción autónoma ayudaría a Tesla de varias maneras, incluyendo un mayor control sobre un aspecto clave de su propia cadena de suministro, y el aumento de la eficiencia general del sistema y el rendimiento.
Tesla ha afirmado que sus vehículos de la generación actual tienen todo el hardware y la capacidad de computación a bordo para lograr la autoconducción completa con una actualización de software en el futuro. Pero la compañía también está siempre iterando en su hardware, evitando las actualizaciones tradicionales de los fabricantes tradicionales de automóviles.
El departamento de pilotaje automático de Tesla está a cargo de Jim Keller, que anteriormente había pasado gran parte de su carrera en AMD, y luego en Apple, donde ayudó a diseñar los procesadores internos A4 y A5 de Apple. El papel clave de Keller en la compañía probablemente habría influido en el fabricante de automóviles para que se propusiera adquirir su propio diseño de procesador y alinear más estrechamente sus componentes de software de autocontrol y computación de hardware.
Flip-flop qubits: Nuevo diseño de computación cuántica radicalmente nuevo
Ingenieros de la Universidad de Nueva Gales del Sur (Australia) han inventado una nueva arquitectura para la computación cuántica, basada en novedosos «qubits de flip-flop», que promete hacer que la fabricación a gran escala de chips cuánticos sea mucho más barata -y más fácil- de lo que se pensaba.
El nuevo diseño del chip, detallado en la revista Nature Communications, permite un procesador cuántico de silicio que puede ampliarse sin necesidad de colocar los átomos con precisión en otros enfoques. Es importante destacar que permite que los bits cuánticos (o «qubits») -la unidad básica de información en un ordenador cuántico- se coloquen a cientos de nanómetros de distancia y permanezcan acoplados.
El diseño fue concebido por un equipo liderado por Andrea Morello, Gerente de Programa en el Centro de Excelencia ARC para Computación Cuántica y Tecnología de la Comunicación (CQC2T) con sede en Sydney, UNSW, quien dijo que la fabricación del nuevo diseño debe estar fácilmente al alcance de la tecnología actual.
El autor principal Guilherme Tosi, investigador asociado del CQC2T, desarrolló el concepto pionero junto con Morello y los coautores Fahd Mohiyaddin, Vivien Schmitt y Stefanie Tenberg del CQC2T, junto con los colaboradores Rajib Rahman y Gerhard Klimeck de la Universidad Purdue en los Estados Unidos.
«Es un diseño brillante, y como muchos saltos conceptuales, es increíble que nadie lo haya pensado antes», dijo Morello.
«Lo que Guilherme y el equipo han inventado es una nueva forma de definir un ‘spin qubit’ que utiliza tanto el electrón como el núcleo del átomo. Crucialmente, este nuevo qubit puede ser controlado usando señales eléctricas, en lugar de señales magnéticas. Las señales eléctricas son significativamente más fáciles de distribuir y localizar en un chip electrónico».
Tosi dijo que el diseño elude un reto que se espera que enfrenten todos los qubits de silicio basados en el spin a medida que los equipos comienzan a construir conjuntos de qubits cada vez más grandes: la necesidad de espaciarlos a una distancia de sólo 10-20 nanómetros, o solo 50 átomos de separación.
«Si están demasiado cerca o demasiado lejos, el ‘entrelazamiento’ entre bits cuánticos -que es lo que hace que las computadoras cuánticas sean tan especiales- no ocurre», dijo Tosi.
Los investigadores de la UNSW ya lideran el mundo en la fabricación de qubits en esta escala, dijo Morello. «Pero si queremos hacer un arsenal de miles o millones de qubits tan cerca, significa que todas las líneas de control, la electrónica de control y los dispositivos de lectura deben fabricarse también en esa escala nanométrica, y con ese paso y esa densidad de electrodos. Este nuevo concepto sugiere otro camino.»
En el otro extremo del espectro se encuentran los circuitos superconductores – perseguidos, por ejemplo, por IBM y Google – y las trampas de iones. Estos sistemas son grandes y fáciles de fabricar, y actualmente están liderando el camino en el número de qubits que pueden ser operados. Sin embargo, debido a sus dimensiones más grandes, a largo plazo pueden enfrentar desafíos cuando intentan ensamblar y operar millones de qubits, como lo requieren los algoritmos cuánticos más útiles.
«Nuestro nuevo enfoque basado en silicio se encuentra justo en el punto ideal», dijo Morello, profesor de ingeniería cuántica de la UNSW. «Es más fácil de fabricar que los dispositivos a escala atómica, pero aún así nos permite colocar un millón de qubits en un milímetro cuadrado».
En el qubit de un solo átomo utilizado por el equipo de Morello, y que aplica el nuevo diseño de Tosi, se cubre un chip de silicio con una capa de óxido de silicio aislante, sobre cuya parte superior se apoya un patrón de electrodos metálicos que funcionan a temperaturas cercanas al cero absoluto y en presencia de un campo magnético muy fuerte.
El núcleo central es un átomo de fósforo, del cual el equipo de Morello ha construido previamente dos qubits funcionales utilizando un electrón y el núcleo del átomo. Estos qubits, tomados individualmente, han demostrado tiempos de coherencia de récord mundial.
El avance conceptual de Tosi es la creación de un tipo de qubit completamente nuevo, utilizando tanto el núcleo como el electrón. En este enfoque, se define un estado «0» cuando el giro del electrón está hacia abajo y el giro del núcleo hacia arriba, mientras que el estado «1» es cuando el giro del electrón está hacia arriba, y el giro nuclear está hacia abajo.
«Lo llamamos el qubit’ flip-flop'», dijo Tosi. «Para operar este qubit, hay que extraer el electrón un poco del núcleo, usando los electrodos de la parte superior. Al hacerlo, también creas un dipolo eléctrico.»
«Este es el punto crucial», añade Morello. «Estos dipolos eléctricos interactúan entre sí a distancias bastante grandes, una buena fracción de un micrón o 1000 nanómetros.
«Esto significa que ahora podemos separar mucho más los qubits de un solo átomo de lo que antes se creía posible», continuó. «Así que hay mucho espacio para intercalar los componentes clásicos clave como interconexiones, electrodos de control y dispositivos de lectura, manteniendo la naturaleza atómica precisa del bit cuántico».
Morello calificó el concepto de Tosi de tan significativo como Bruce Kane, el seminal artículo de 1998 en Nature. Kane, luego investigador asociado senior de la UNSW, se topó con una nueva arquitectura que podría hacer realidad un ordenador cuántico basado en silicio, lo que desencadenaría la carrera de Australia.
«Como en el trabajo de Kane, ésta es una teoría, una propuesta: el qubit aún no se ha construido», dijo Morello. «Tenemos algunos datos experimentales preliminares que sugieren que es totalmente factible, así que estamos trabajando para demostrarlo. Pero creo que esto es tan visionario como el trabajo original de Kane».
La construcción de un ordenador cuántico se ha denominado la «carrera espacial del siglo XXI», un reto difícil y ambicioso con el potencial de entregar herramientas revolucionarias para hacer frente a cálculos que de otro modo serían imposibles, con una plétora de aplicaciones útiles en el sector sanitario, la defensa, las finanzas, la química y el desarrollo de materiales, la depuración de software, el sector aeroespacial y el transporte. Su velocidad y poder radican en el hecho de que los sistemas cuánticos pueden albergar múltiples «superposiciones» de diferentes estados iniciales, y en el espeluznante «enredo» que sólo ocurre a nivel cuántico las partículas fundamentales.
«Se necesitará una gran ingeniería para llevar la computación cuántica a la realidad comercial, y el trabajo que vemos en este extraordinario equipo pone a Australia en el asiento del conductor», dijo Mark Hoffman, Decano de Ingeniería de la UNSW. «Es un gran ejemplo de cómo la UNSW, al igual que muchas de las universidades de investigación más importantes del mundo, se encuentra hoy en el corazón de un sofisticado sistema de conocimiento global que está dando forma a nuestro futuro».
El equipo de la UNSW ha llegado a un acuerdo de 83 millones de dólares australianos entre la UNSW, el gigante de las telecomunicaciones Telstra, el Commonwealth Bank de Australia y los gobiernos de Australia y Nueva Gales del Sur para desarrollar, para el año 2022, un prototipo de circuito integrado cuántico de silicio de 10 bits, el primer paso en la construcción de la primera computadora cuántica del mundo en silicio.
En agosto, los socios lanzaron Silicon Quantum Computing Pty Ltd., la primera empresa de computación cuántica de Australia, para avanzar en el desarrollo y comercialización de las tecnologías únicas del equipo. El Gobierno de Nueva Gales del Sur prometió 8,7 millones de dólares australianos, 25 millones de dólares de los EE. UU., 14 millones de dólares australianos para el Banco del Commonwealth, 10 millones de dólares australianos para Telstra y 25 millones de dólares australianos para el Gobierno federal.
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Cómo una tarjeta MicroSD puede almacenar hasta 400GB de datos
Un problema teórico
Medio centímetro no le da mucho espacio, y los dispositivos que se fabrican para tarjetas microSD no pueden volver a ser utilizados para otra cosa. Esto significa que tendrás que trabajar dentro de estas limitaciones. Por lo general, los fabricantes de tarjetas como SanDisk reducirían el tamaño de sus transistores para que quepan más de ellos en un espacio minúsculo. En 2013 este tamaño era de aproximadamente 19 nm. Una lámina de estos transistores dentro de un espacio de medio centímetro daría 8 GB de espacio de almacenamiento, que era abundante para la mayoría de los dispositivos de consumo a pequeña escala.
Para hacer que más memoria quepa en la misma cantidad de espacio, necesitaría apilar los transistores uno encima del otro, creando capas de transistores que doblarían o cuadruplicarían la cantidad de espacio de almacenamiento disponible. Así es como empezaron a aparecer las tarjetas microSD con capacidades de 32 GB. Llega un momento en el tiempo, sin embargo, donde las cosas se ponen un poco demasiado cómodas y tienes que empezar a comer en el marco para encajar más capas.
En el nivel de 19 nm, se necesitarían ocho capas de transistores para ajustar 64 GB de memoria. Para encajar 400 GB, se necesitarían exactamente cincuenta capas. Aunque esto es teóricamente posible, es extraordinariamente difícil de hacer en un espacio tan reducido.
Cuando no hay otra opción que doblar la apuesta
Ya hemos discutido el hecho de que no es posible cambiar las dimensiones de cada ranura en cada dispositivo para que quepa una tarjeta más grande. La única opción que queda es sumergirse aún más en la tecnología de fabricación de microtransistores. ¡Tenemos que hacerlos más pequeños!
Teóricamente, un transistor podría ser tan pequeño como una sola molécula. El 14 de agosto, hemos conseguido hacer transistores de molécula única que funcionaban de forma sostenible a temperatura ambiente. Debido a que el proceso de hacerlas es tan complicado, no podemos esperar que se conviertan en algo dominante en el futuro, pero presentan una ventana a lo que parece el futuro. Pronto veremos transistores de tan sólo 5 nm.
Recuerde, los transistores caben en un espacio tridimensional, lo que significa que a medida que se hacen más pequeños, también se obtiene más espacio para apilarlos. Esto es lo que debe haber sucedido para que SanDisk sea capaz de crear una tarjeta microSD de 400 GB. Bajo la especificación de transistores de 10 nm disponible para los fabricantes a partir de 2017, puede ajustar 400 GB de memoria utilizando 25 capas de transistores, ahora pueden caber aproximadamente 16 GB por capa.
Con los transistores de 5 nm, podríamos terminar creando tarjetas microSD que se ajusten a un terabyte de memoria, que es aproximadamente donde veo el límite. Puede que no seamos capaces de superar ese nivel y probablemente ni siquiera lo necesitemos en un futuro previsible.
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