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Nuevo transistor basado en siliceno, equivalente al grafeno
Hace unos cuantos años, el siliceno, primo cercano del grafeno, sólo existía en los sueños de los teóricos. Actualmente ya se han producido láminas de siliceno en el laboratorio. Incluso se ha utilizado recientemente para el diseño de transistores. Investigadores de la Universidad de Texas (Austin, EE.UU.) y del Instituto de Microelectrónica y Microsistemas de Agrate Brianza (Italia) acaban de presentar el primer transistor construido a partir de láminas de siliceno. Su rendimiento es modesto y su vida no supera unos pocos minutos.
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Memorias magnéticas basadas en nanódromos para eskirmiones
La espintrónica es el futuro de las memorias magnéticas. Un eskirmión magnético puede almacenar un bit gracias a su gran robustez. Ideal para memorias por su tamaño nanométrico y por su bajo consumo (para su manipulación bastan corrientes eléctricas muy pequeñas). Se publica en Scientific Reports un estudio de la interacción mutua entre eskirmiones para determinar la separación mínima entre ellos que garantiza que dos bits eskirmiónicos no interfieran entre sí. También se estudian otros parámetros geométricos para su fabricación por nanolitografía.
Las memorias de eskirmiones están formadas por un nanocable (nanowire) o por una nanocinta (nanostrip) en la que los eskirmiones se generan (escriben), se almacenan (memorizan) y se destruyen (leen). Los eskirmiones se mueven en línea recta como si fueran caballos de carreras en un hipódromo. Por ello a estas celdas de memoria se las suele llamar nanohipódromos (nanoracetracks) o para abreviar nanódromos (nanotracks); en inglés se suele hablar de skyrmion-based racetrack memory (RM), o memoria de hipódromo basada en eskirmiones.
El artículo técnico es Xichao Zhang et al., “Skyrmion-skyrmion and skyrmion-edge repulsions in skyrmion-based racetrack memory,” Scientific Reports 5: 7643, 06 Jan 2015; arXiv:1403.7283 [cond-mat.mtrl-sci]. En este blog puedes leer “Skyrmiones (vórtices nanomagnéticos) observados por primera vez de forma directa gracias a los electrones que los atraviesan,” LCMF 16 Jun 2010.
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Neurotransistores que aprenden
El cerebro es el órgano más complicado de nuestro cuerpo. Genera la consciencia, nuestro “yo” interior, almacena los recuerdos, inventa y sueña. Un futuro cerebro artificial, similar al humano, pero sin sus errores, sin emociones, sin que se canse, tan potente como se necesite, sería la puerta a una nueva edad en la historia de la humanidad. ¿En qué estado se encuentra el desarrollo de máquinas pensantes que imitan el cerebro?
Todavía estamos dando los primeros pasos. Los estudios neurocientíficos durante el último siglo han descubierto que la consciencia y la mente emergen del funcionamiento de las neuronas y de las conexiones sinápticas entre ellas. Sabemos muy bien cómo funciona una neurona individual, pero aún no entendemos como surge la mente. Por ello, uno de los enfoques en el campo de la inteligencia artificial es el desarrollo de ordenadores basados en neuronas artificiales. Circuitos electrónicos que simulan en detalle el funcionamiento de las neuronas. Los científicos defensores de la llamada “inteligencia artificial fuerte” proponen que la mente aparecerá de forma espontánea cuando desarrollemos un sistema neuromimético tan complicado como el encéfalo humano. No será fácil porque nuestro encéfalo contiene unos 86 000 millones de neuronas. Estas neuronas se conectan entre sí mediante sinapsis. En promedio, cada neurona recibe información a través de unas 10 000 sinapsis y envía información a unas 1 000 sinapsis. Hoy en día lo difícil es simular el funcionamiento de las sinapsis mediante microcircuitos electrónicos. Se ha publicado un gran avance en este sentido en la revista Physical Review Applied. Científicos de la Universidad de Harvard (EE.UU.) han desarrollado los primeros circuitos neuromiméticos que imitan fielmente el comportamiento de las sinapsis entre neuronas. Estos circuitos reproducen la capacidad de las sinapsis de reforzarse y debilitarse con el tiempo, de aprender, olvidar o almacenar recuerdos. Estos dispositivos microelectrónicos muestran una plasticidad similar a la de las neuronas y se pueden usar para estudiar cómo trabaja el encéfalo.
El artículo técnico es Sieu D. Ha, Jian Shi, Yasmine Meroz, L. Mahadevan, Shriram Ramanathan, “Neuromimetic Circuits with Synaptic Devices Based on Strongly Correlated Electron Systems,” Phys. Rev. Applied 2: 064003, 2014; arXiv:1411.4179 [cond-mat.str-el]. Más información divulgativa en Cátedra de Cultura Científica, “Crean un circuito que imita a las neuronas y aprende y desaprende,” Next, Voz Pópuli, 16 Dic 2014; en inglés recomiendo Matteo Rini, “Synopsis: Mimicking the Brain,” Physics, 04 Dec 2014.
Fuente: La Ciencia de la Mula Francis
Dispositivos electrónicos que se disuelven en agua
Dispositivos electrónicos que se disuelven completamente en agua, dejando tras de sí sólo productos finales inocuos, han sido desarrollados por vez primera por investigadores de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign (EE.UU). Los primeros resultados muestran un conjunto completo de los componentes básicos de los circuitos integrados, junto con diversos sensores y actuadores con relevancia para la medicina clínica, incluyendo la mayoría de los más recientes monitores intracraneales en pacientes con lesión cerebral traumática. Es el comienzo de una nueva era de dispositivos que se puede extender desde la electrónica de consumo «verde» a las terapias ‘electroceuticas’, sistemas biomédicos de sensores para hacer su trabajo y que luego desaparezcan.
El grupo de investigación de John A. Rogers en el Departamento de Ciencia de los Materiales e Ingeniería Frederick Seitz está liderando el desarrollo de tales conceptos, junto con todos los materiales necesarios, los diseños de dispositivos y tecnologías de fabricación para aplicaciones más allá del alcances de los semiconductores en las tecnologías disponibles actualmente.
«Nuestros desarrollos más recientes, combinados en dispositivos que abordan los desafíos reales en la medicina clínica y avanzada, y las estrategias de fabricación de alto volumen, sugieren un futuro prometedor para esta nueva clase de tecnología», dijo Rogers. Que presentará su tesis y demás resultados en AVS 61st International Symposium & Exhibition del nueve al 14 noviembre 2014 en Baltimore, Maryland.
Las aplicaciones prácticas podrían incluir: dispositivos bioabsorbibles para reducir infecciones en cirugía. Otros ejemplos son los sistemas implantables temporales, como los monitores eléctricos del cerebro para ayudar a la rehabilitación de lesiones traumáticas o simuladores eléctricos para acelerar el crecimiento de los huesos. Adicionalmente los dispositivos pueden usarse para la administración programada de fármacos.
Después que han cumplido su función, desaparecen a través reabsorción en el cuerpo, eliminando así los dispositivos innecesarios, sin la necesidad de operaciones quirúrgicas adicionales. En cuanto a la electrónica de consumo, la tecnología es muy prometedora para la reducción de la huella ambiental en la próxima generación de dispositivos «verdes».
Fuente: Universidad de Illinois
Nobel Física 2014 para Akasaki, Amano y Nakamura por el diodo azul
El diodo azul, una tecnología que casi todos usamos todos los días, obtiene el Premio Nobel de Física 2014. Isamu Akasaki y Hiroshi Amano (Univ. Nagoya, Japón) y Shuji Nakamura (Univ. California, Santa Barbara, EEUU). Seguro que tienes en el bolsillo ahora mismo un dispositivo que usa esta tecnología. Sin lugar a dudas este Premio Nobel de Física 2014 recoge perfectamente el espíritu original de Alfred Nobel.
Anuncio oficial del premio, nota de prensa, información divulgativa e información avanzada
Los diodos emisores de luz (LED) actuales emiten luz entre el infrarrojo y el ultravioleta. Sin embargo, los primeros LED desarrollados en los 1950 y en los 1960 sólo emitían luz entre el infrarrojo y el verde. Los colores azules y ultravioletas parecían imposibles de lograr. A finales de los 1980 se propuso el uso de nitruro de galio (GaN) en dispositivos multicapa (heteroestructuras y pozos cuánticos). La importancia de lograr LED azules era enorme, ya que permitía el desarrollo de fuentes eficientes de luz blanca para iluminación (combinando LED rojos, verdes y azules). Hay que recordar que la iluminación supone entre el 20% y el 30% de nuestro consumo de energía eléctrica.
La emisión de luz por electroluminiscencia se basa en la existencia de una banda prohibida entre las bandas de valencia y conducción en un material semiconductor. Lograr un material cuya emisión de luz sea en el azul es muy difícil porque se requiere una banda prohibida muy grande. Se estudiaron diferentes materiales compuestos (como ZnSe y SiC), pero al final se logró con GaN, un semiconductor de la clase III-V, con estructura cristalina tipo wurtzita. El GaN tiene una banda prohibida de 3,4 eV, que corresponde al ultravioleta.
El gran problema del uso del GaN era fabricar este material con una calidad cristalina adecuada y de forma eficiente. En los 1970 se probaron muchas técnicas sin éxito. Isamu Akasaki desarrolló nuevas técnicas de crecimiento de GaN sobre zafiro usando una capa de AlN. En 1981, en la Universidad de Nagoya, Japón, empezó a colaborar con Hiroshi Amano y en 1986 logró la técnica que le ha permitido obtener el Premio Nobel de Física 2014 (H. Amano et al., “Metalorganic vapor phase epitaxial growth of a high quality GaN film using an AlN buffer layer,” Appl. Phys. Lett. 48: 353, 1986).
Shuji Nakamura (en una empresa privada japonesa) desarrolló un método similar en el que reemplazó la capa de AlN por una fina capa de GaN crecida a baja temperatura (Shuji Nakamura, “GaN Growth Using GaN Buffer Layer,” Japanese Journal of Applied Physics 30: L1705, 1991; Shuji Nakamura et al., “High-Power GaN P-N Junction Blue-Light-Emitting Diodes,” Japanese Journal of Applied Physics 30:L1998, 1991). Nakamura y sus colegas aprovecharon los resultados previos de Akasaki y Amano para desarrollar una técnica de dopado del GaN con Zn (material p) y Mg (material n) para dar lugar a uniones (diodos) pn que emiten luz.
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Nueva familia de materiales para el almacenamiento y procesado de la información
Las ferritas hexagonales de elementos de las tierras raras han mostrado poseer momentos dipolares eléctricos y magnéticos espontáneos (como un caso raro), que puede permitir los acoplamientos de los campos eléctricos y magnéticos estáticos en estos materiales, lo que sugiere la aplicación en el almacenamiento y procesamiento de la información con elevada eficiencia energética.
El cambio de la polaridad de un imán utilizando un campo eléctrico (efecto memoria magnetoeléctrica [MEM]), puede ser el principio de funcionamiento de la tecnología de próxima generación para el procesamiento y almacenamiento de información. Materiales multiferroicos son candidatos prometedores para el efecto MEM, debido a la coexistencia de ordenamientos eléctricos y magnéticos. Por otra parte, la coexistencia de polarizaciones eléctricas y magnéticas espontáneas es rara en materiales conocidos, lo que dificulta la aplicación potencial del efecto MEM.
Este artículo revisa brevemente una nueva familia de materiales multiferroicos – hexagonales ferritas de tierras raras – que se han mostrado simultáneamente en experimentos comportamientos ferroeléctrico y ferromagnético. Tanto la ferroeletricidad como el ferromagnetismo en ferritas hexagonales originan indirectamente distorsiones estructurales, lo que resulta en los llamadas ordenaciones ferroeléctricas y ferromagnéticas impropias. Naturalmente, las distorsiones estructurales pueden mediar el acoplamiento entre las polarizaciones eléctricas y magnéticas en ferritas hexagonales de tierras raras, causando el efecto MEM, como se predijo por la teoría.
El posible efecto MEM en ferritas hexagonales de tierras raras es particularmente útil para el almacenamiento y procesamiento de la información, porque la naturaleza no volátil de la polarización magnética evita el coste de energía de refrescar la memoria constantemente y por lo tanto un flujo constante de corriente. La polaridad de los imanes se utiliza para almacenar información, por ejemplo, en el disco duro de los ordenadores. La información es modificada para «escribir» a través de un cambio de polaridad usando un campo magnético, lo que requiere un flujo de corriente que consume una cantidad significativa de energía. Si la polaridad se pudiera conmutar a través de un campo eléctrico (el efecto MEM), la eficiencia energética se mejora en gran medida, porque la generación del campo eléctrico intrínsecamente necesita menos energía que para la generación de un campo magnético. El hecho de que el campo eléctrico se puede localizar fácilmente sugiere también aplicación en dispositivos miniaturizados.
Esta investigación fue financiada en parte por Nebraska EPSCoR.
Fuente: Xiaoshan Xu, Wang Wenbin multiferroico ferritas hexagonales (h-RFeO3, R = Y, Dy-Lu): una breve revisión experimental Física Moderna letras B, 2014;.. 28 (21): 1430008 DOI: 10.1142 / S0217984914300087
Componente de celdas solares a partir de madera
Un nuevo tipo de papel que está hecho de fibras de madera y es 96% transparente podría ser un material revolucionario para las células solares de nueva generación. Viniendo de plantas, el papel es barato y más respetuoso con el medio ambiente que los sustratos de plástico a menudo utilizados en las células solares. Sin embargo, su ventaja más importante es que se supera el compromiso entre la transparencia óptica y la turbidez óptica que presentan la mayoría de los materiales.
Un equipo de investigadores de la Universidad de Maryland, la South China University of Technology y la Universidad de Nebraska-Lincoln, han publicado un artículo sobre el nuevo material en una edición reciente de la revista Nano Letters.
Como explican los investigadores, los beneficios de rendimiento de células solares son mayores cuando los materiales poseen tanto una alta transparencia óptica (para permitir una buena transmisión de la luz) y alta turbidez óptica (para aumentar la dispersión y por lo tanto la absorción de la luz transmitida dentro del material). Pero hasta ahora, los materiales con altos valores de transparencia (de aproximadamente el 90%) tienen valores de turbidez ópticas muy bajas (de menos de 20%).
El nuevo papel a base de madera tiene una transparencia ultra alta de 96% y turbidez óptica ultra alta del 60%, que es el valor de turbidez óptica más alto reportado entre sustratos transparentes.
La principal razón de este buen desempeño en ambas áreas es que el papel tiene una estructura nanoporosa en lugar de microporosa. El papel habitual está hecho de fibras de madera y tiene una baja transparencia óptica debido a las microcavidades que existen dentro de la estructura porosa que causan dispersión de la luz. En el nuevo papel, estos microporos son eliminados con el fin de mejorar la transparencia óptica. Para ello, los investigadores utilizaron un tratamiento llamado TEMPO para debilitar los enlaces de hidrógeno entre las microfibras que forman las fibras de la madera, lo que provoca que las fibras de la madera se hinchen y colapsen en una densa estructura, que contiene nanoporos apretados en lugar de microporos.
«Los papeles están hechos de materiales en forma de cinta que se pueden apilar bien sin cavidades microscópicas para alta transmitancia, pero con nanoporos para alta turbidez óptica», según el coautor Liangbing Hu, profesor asistente en el Departamento de Ciencia de los Materiales e Ingeniería de la Universidad de Maryland.
Para probar el papel para aplicaciones de células solares, los investigadores recubrieron el papel de fibra de madera sobre la superficie de una losa de silicio. Los experimentos demostraron que el dispositivo captador de luz puede captar la luz con un aumento del 10% en la eficiencia. Debido a la sencillez de este proceso de laminación, las células solares que ya han sido instaladas y en uso podrían beneficiarse de manera similar de la capa de papel adicional.
Aunque hay otros papeles hechos de nanofibras, este trabajo demuestra una transmitancia óptica mucho más alta, y el uso de mucho menos energía y tiempo para su procesamiento. Con estas ventajas, el, papel de alta turbide muy transparente podría ofrecer una forma económica de mejorar la eficiencia de los paneles solares, techos solares y ventanas solares.
Fuente: Zhiqiang Fang, et al. «Novel Nanostructured Paper with Ultrahigh Transparency and Ultrahigh Haze for Solar Cells.» Nano Letters. DOI: 10.1021/nl404101p
Verificación de la pureza de grafeno mediante ondas a frecuencia de terahercios
El grafeno puede ser difícil de manejar. El entorno que rodea al material de espesor de un átomo de carbono puede influir en su rendimiento electrónico, según los investigadores de las universidades de Rice y Osaka, que han logrado con una forma sencilla de detectar contaminantes.
Porque es muy fácil de introducir accidentalmente impurezas en el grafeno, los laboratorios liderados por los físicos Junichiro Kono de Rice (EE.UU.) y Masayoshi Tonouchi del Instituto de Ingeniería Láser de Osaka (Japón) descubrieron una forma de detectar e identificar moléculas contaminantes en su superficie, mediante espectroscopia a frecuencia de terahercios.
Esperan que el hallazgo sea importante para los fabricantes que consideren en el futuro el uso de grafeno en los dispositivos electrónicos.
La investigación fue publicada esta semana en línea en la revista Nature Scientific Reports. Esto fue posible por el programa NanoJapan basado en Rice, a través del cual los estudiantes universitarios estadounidenses realizan pasantías de investigación de verano en laboratorios japoneses.
Incluso una sola molécula de una sustancia extraña puede contaminar el grafeno lo suficiente para afectar a sus propiedades eléctricas y ópticas, dijo Kono. Por desgracia (y tal vez irónicamente), se incluyen los contactos eléctricos.
«Tradicionalmente, con el fin de medir la conductividad de un material, hay que adjuntar los contactos y luego hacer mediciones eléctricas», dijo Kono, cuyo laboratorio se especializa en la investigación a frecuencias de terahercios. «Sin embargo, nuestro método es sin contacto.»
Eso es posible porque el compuesto fosfuro de indio emite ondas de terahercios cuando se excita. Los investigadores lo utilizaron como sustrato para el grafeno. Lanzaron contra el material pulsos de femtosegundos de un láser infrarrojo, lo que hizo que el fosfuro de indio emitiera señales de terahercios de retorno a través del grafeno. Las imperfecciones tan pequeños como una molécula de oxígeno parásita en el grafeno fueron captadas por un espectrómetro.
«El cambio en la señal de terahercios debido a la adsorción de moléculas es notable», dijo Kono. «No sólo la intensidad, sino también la forma de onda de la radiación de terahercios emitida totalmente y de forma dinámica cambia en respuesta a la adsorción y desorción molecular. El siguiente paso es explorar la sensibilidad última de esta técnica única para la detección de gas.»
La técnica puede medir tanto la ubicación de la contaminación de las moléculas y los cambios en el tiempo. «El láser elimina gradualmente las moléculas de oxígeno del grafeno, cambiando su densidad, y eso lo podemos ver», afirmó Kono.
El experimento consistió en el crecimiento de grafeno prístino través de la deposición de vapor químico y su transferencia a un sustrato de fosfuro de indio. Los pulsos láser generan estallidos coherentes de radiación terahecios a través del campo eléctrico de la superficie del sustrato fosfuro de indio, que cambia debido a la transferencia de carga entre el grafeno y las moléculas contaminantes. La onda de terahercios, cuando se visualiza, refleja el cambio.
Los resultados experimentales son una advertencia para los fabricantes de productos electrónicos. «Para cualquier dispositivo futuro diseñado usando grafeno, tenemos que tener en cuenta la influencia de los alrededores», dijo Kono. El grafeno en un vacío o intercalado entre capas no contaminantes probablemente sería estable, pero la exposición al aire lo contamina, afirmó.
Los laboratorios de Rice y Osaka continúan colaborando en un proyecto para medir la conductividad del grafeno a terahercios en varios sustratos.
Los autores del artículo incluyen a la alumna de Rice Mika Tabata, quien condujo la investigación como participante NanoJapan 2012 en el laboratorio Tonouchi, y el estudiante graduado Minjie Wang; los profesores asociados Iwao Kawayama y Hironaru Murakami y los estudiantes de posgrado Yuki Sano y Khandoker Abu Salek de Osaka; y Robert Vajtai, un compañero de profesores de alto nivel, y Pulickel Ajayan, el Benjamin M. y Mary Anderson Greenwood profesor en Ingeniería, profesor de ciencia de los materiales y la nanoingeniería y química, y presidente del Departamento de Ciencia de los Materiales y NanoIngeniería, todos en Rice.
La National Science Foundation (NSF); la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia; el Ministerio de Educación, Cultura, Deportes, Ciencia y Tecnología de Japón y la Fundación Murata Ciencia apoyaron la investigación. NanoJapan es financiado por las asociaciones de la NSF para la Investigación Internacional y el programa de Educación.
Fuente: Y. Sano, I. Kawayama, M. Tabata, K. A. Salek, H. Murakami, M. Wang, R. Vajtai, P. M. Ajayan, J. Kono, M. Tonouchi. Imaging molecular adsorption and desorption dynamics on graphene using terahertz emission spectroscopy. Scientific Reports, 2014; 4 DOI: 10.1038/srep06046
Nuevo procesador de IBM que simula una red de un millón de neuronas
Tiene el tamaño de un sello de correos, pero en su interior contiene el equivalente a un millón de neuronas con 256 millones de conexiones sinápticas programables. El nuevo chip de IBM da un paso más hacia el objetivo de crear un procesador capaz de simular el funcionamiento del cerebro humano.
TrueNorth, que es como se llama este chip, es un salto cuantitativo impresionante respecto a la primera versión, que solo equivalía a 256 neuronas con 262144 sinapsis programables. De un único núcleo neurosináptico, este proyecto de IBM y el programa DARPA SyNAPSE ha pasado a 4096 núcleos.
Con todo, las cifras son irrisorias en comparación con las de un cerebro humano. Solo en la corteza cerebral tenemos entre 15000 y 33000 millones de neuronas. Cada milímetro cúbico de córtex cerebral contiene aproximadamente 1000 millones de sinapsis.
El reto de la computación cognitiva sigue estando lejos, pero eso no le quita mérito a TrueNorth y, de hecho, demuestra la potencia que tiene esta arquitectura de cara al futuro. Mientras llega el momento en el que tengamos que temer que una inteligencia artificial nos ponga en la lista de especies a extinguir, TrueNorth será especialmente útil para desarrollar dispositivos en los que es importante un funcionamiento similar al del cerebro humano.
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