El nuevo transistor de grafeno podría ahorrar el 5% del presupuesto global de energía digital

El nuevo transistor de grafeno podría ahorrar el 5% del presupuesto global de energía digital


11 de abril de 2022

(Noticias de Nanowerk) Un nuevo giro en uno de los inventos más grandes pero más pequeños del siglo XX, el transistor, podría ayudar a alimentar el apetito cada vez mayor del mundo por el almacenamiento digital mientras reduce hasta el 5% de la energía de sus dietas hambrientas de energía.

Después de años de innovación por parte de Christian Binek de la Universidad de Nebraska-Lincoln y Jonathan Bird y Keke He de la Universidad de Buffalo, los físicos se unieron recientemente para crear el primer transistor magnetoeléctrico.

Además de reducir el consumo de energía de cualquier microelectrónico que contenga microelectrónicos, el diseño del equipo podría reducir la cantidad de transistores necesarios para almacenar ciertos datos hasta en un 75%, dijo el físico de Nebraska Peter Dowben, lo que resultaría en dispositivos más pequeños. También podría dar a estos ingenieros de microelectrónica una memoria de trampa de acero que recuerda exactamente dónde se detienen sus usuarios, incluso después de que se hayan apagado o se hayan quedado sin energía repentinamente.

«Las implicaciones de esta última demostración son profundas», dijo Dowben, quien recientemente fue coautor de un artículo sobre el trabajo que apareció en la portada de la revista. Materiales avanzados («Graphene on Chromia: A System for Beyond-Room-Temperature Spintronics»). Una representación a nanoescala de dos materiales, grafeno (gris) y óxido de cromo (azul) Una representación a nanoescala de dos materiales, grafeno (gris) y óxido de cromo (azul), que juntos permitieron a investigadores de Nebraska y Buffalo crear un nuevo tipo de transistor. Las flechas roja y verde representan el espín, una propiedad de los electrones relacionada con el magnetismo que se puede leer como 1 o 0. (© Materiales Avanzados)

Muchos millones de transistores se alinean en la superficie de cada circuito integrado o microchip moderno, que a su vez se fabrica en cantidades asombrosas (alrededor de 1 billón solo en 2020) a partir de silicio, el material semiconductor elegido por la industria. Al regular el flujo de corriente eléctrica dentro de un microchip, el diminuto transistor actúa efectivamente como un interruptor de encendido y apagado nanoscópico, esencial para escribir, leer y almacenar datos como los 1 y 0 de la tecnología digital.

Pero los microchips basados ​​en silicio se están acercando a sus límites prácticos, dijo Dowben. Estas limitaciones están impulsando a la industria de los semiconductores a explorar y financiar todas las alternativas prometedoras que pueda.

«El circuito integrado tradicional enfrenta algunos problemas serios», dijo Dowben, profesor de física y astronomía de Charles Bessey en Nebraska. «Hay un límite de cuánto más pequeño puede volverse. Básicamente estamos en el área donde estamos hablando de un ancho de 25 átomos de silicio o menos. Y genera calor con cada dispositivo en un[circuito integrado]por lo que tampoco puede disipar suficiente calor para que todo funcione».

Esta situación está surgiendo incluso cuando la demanda y la energía requerida para el almacenamiento digital ha aumentado considerablemente con la adopción generalizada de computadoras, servidores e Internet. La inteligencia de televisores, vehículos y otras tecnologías mediante microchips no ha hecho más que aumentar esta demanda.

«Estamos llegando al punto en el que vamos a aproximarnos al uso de energía de los Estados Unidos en el pasado solo por el bien de la memoria (solo)», dijo Dowben. «Y no se detiene.

“Así que necesitas algo que puedas encoger más pequeño si es posible. Pero, sobre todo, necesita algo que funcione de manera diferente a un transistor de silicio para que pueda reducir considerablemente el consumo de energía”.

«Ahora que funciona, comienza la diversión»

Los transistores típicos basados ​​en silicio constan de múltiples terminales. Dos de estos, llamados fuente y drenaje, sirven como punto inicial y final para los electrones que fluyen a través de un circuito. Sobre este canal hay otra terminal, la puerta. La aplicación de un voltaje entre la puerta y la fuente puede determinar si la corriente eléctrica fluye con baja o alta resistencia, lo que resulta en una acumulación o ausencia de cargas de electrones codificadas como 1 y 0, respectivamente. Pero la memoria, la forma en la que se basan la mayoría de las aplicaciones informáticas, requiere un suministro de energía constante solo para mantener estos estados binarios.

Entonces, en lugar de confiar en la carga eléctrica como base de su enfoque, el equipo recurrió al giro: una propiedad de los electrones relacionada con el magnetismo que apunta hacia arriba o hacia abajo y cómo la carga eléctrica se puede leer como 1 o 0. El equipo sabía que los electrones que fluyen a través del grafeno, un material ultrarresistente de solo un átomo de espesor, pueden mantener su orientación de espín inicial en distancias relativamente largas, una propiedad atractiva para demostrar el potencial de un transistor basado en espintrónica. El control real de la alineación de esos espines, utilizando mucha menos energía que un transistor convencional, era una perspectiva mucho más desafiante.

Para hacer esto, los investigadores tuvieron que recubrir el grafeno con el material adecuado. Afortunadamente, Binek ya había pasado años estudiando y modificando un material así, el óxido de cromo. Crucialmente, el óxido de cromo es magnetoeléctrico, lo que significa que los espines de los átomos en su superficie pueden invertirse o viceversa aplicando una pequeña cantidad de voltaje transitorio que consume energía.

Tras la aplicación de un voltaje positivo, los giros del óxido de cromo subyacente apuntan hacia arriba, lo que finalmente provoca que la orientación del giro de la corriente eléctrica de grafeno se desvíe hacia la izquierda, proporcionando así una señal detectable. En cambio, el voltaje negativo invierte los giros del óxido de cromo hacia abajo, volteando la orientación del giro de la corriente de grafeno hacia la derecha, produciendo una señal que se distingue claramente de las demás.

«Ahora estás empezando a tener muy buena fidelidad (en la señal) porque si estás sentado en un lado del dispositivo y tienes un voltaje aplicado, la corriente fluirá en esa dirección. Puedes decir que está ‘encendido'», dijo Dowben. “Pero cuando le dice a la corriente que vaya en la otra dirección, eso está claramente ‘apagado’.

“Esto potencialmente le brinda una fidelidad tremenda a un costo de energía muy bajo. Todo lo que hiciste fue aplicar voltaje y funcionó”.

Tan prometedora y funcional como fue la demostración del equipo, Dowben dijo que hay muchas alternativas al grafeno que comparten su grosor de un átomo, pero también tienen propiedades más adecuadas para un transistor magnetoeléctrico. La carrera para superponer el óxido de cromo con estos otros candidatos 2D ya está en marcha, dijo, marcando «no el algo, sino el comienzo de algo».

«Ahora que funciona, ahí es donde comienza la diversión, porque todos tendrán su propio material 2D favorito y lo probarán», dijo Dowben. «Algunos de ellos funcionarán mucho, mucho mejor, otros no. Pero ahora que sabe que funciona, vale la pena invertir en estos otros materiales más sofisticados que podrían hacerlo.

«Ahora cualquiera puede entrar en el juego y descubrir cómo hacer que el transistor sea realmente bueno y competitivo y que supere al silicio».

Llegar a este punto ha sido un largo viaje, pavimentado con «una enorme cantidad de progreso», dijo Dowben, particularmente del dúo Binek y Bird.

«Este tipo de proyecto demuestra cuán poderosa y efectiva puede ser la investigación colaborativa», dijo Bird, «al combinar la reconocida experiencia de Nebraska en materiales magnéticos con las capacidades de Buffalo en dispositivos semiconductores a nanoescala».

Dowben enumeró solo algunos de los avances significativos del equipo. Se dio cuenta de que los materiales magnetoeléctricos podrían ser un enfoque viable. La identificación del óxido de cromo. Modificándolo tanto para controlar su giro con voltaje en lugar de magnetismo que consume energía, como para garantizar que funcione muy por encima de la temperatura ambiente, porque, como dijo Dowben, «si va a competir con la industria de los semiconductores, puede ‘ Solo lo hago en el trabajo Invierno en Nebraska. Eso tiene que funcionar en Arabia Saudita en el verano”. Luego estaban las simulaciones por computadora basadas en la teoría y varios prototipos en etapas iniciales.

“No hubo un momento edisoniano aquí. Sabes a dónde vas, pero lleva un tiempo», dijo Dowben. “Hay muchos problemas técnicos por resolver. Es un trabajo pesado y no se ve bonito.

«Pero a veces los resultados son absolutamente espectaculares», dijo, «y es divertido».



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