L'investigador Francesc Pérez Murano ingressa en la Reial Acadèmia de Ciències i Arts de Barcelona

Francesc Pérez Murano, investigador de l'Institut de Microelectrònica de Barcelona al Grup de NEMS i Nanofabricació (NANONEMS), ingressa avui com a acadèmic numerari a la Reial Acadèmia de Ciències i Arts de Barcelona. Pérez Murano tindrà la seva sessió de recepció a les 18 hores a la Seu de l'Acadèmia (Rambla 118, Barcelona) i serà contestada per l'acadèmic numerari Excm. Sr. Xavier Obradors i Berenguer (ICMAB-CSIC).

La Nanoelectrònica: la filla més quàntica de l’Electrònica

La nanoelectrònica és una branca de l’electrònica —i, per tant, de la física— i, com a tal, el seu objecte d’estudi és el transport d’electrons. Els elements funcionals de l’electrònica són els dispositius, mitjançant els quals controlem el transport d’electrons. Els dispositius són els responsables d’incorporar les funcions bàsiques de processament, emmagatzematge i transmissió de senyals elèctrics, és a dir, de l’aplicació pràctica de l’electrònica. La nanoelectrònica se centra en els dispositius electrònics la dimensió dels quals es troba en el rang dels nanòmetres, típicament, per dimensions per sota dels 100 nanòmetres.

La nanoelectrònica es va originar com a necessitat de trobar solucions a les limitacions que es preveia que tindria la microelectrònica en la seva evolució cap a dimensions cada cop més petites. Tanmateix, dispositius de mida nanomètrica també són objecte d’estudi en la microelectrònica. La nanoelectrònica, però, incideix en aquells aspectes que fan que la mida nanomètrica faci emergir una fenomenologia particular i diferenciada. La física dels objectes molt petits està dominada per la física quàntica. En la nanoelectrònica, els efectes quàntics es manifesten d’una manera excepcional.

La miniaturització dels dispositius electrònics i, en particular, els dispositius d’estat sòlid, ha portat d’una manera natural a la nanoelectrònica. De fet, la comprensió de la fenomenologia del transport d’electrons en un sòlid no es va produir fins que es va aplicar el formulisme de la mecànica quàntica, a finals dels anys vint del segle passat. Per tant, implícitament, en aquell moment hom ja podria parlar de nanoelectrònica. Ara bé, el terme nanoelectrònica no es va fer servir explícitament fins al 1987, en un programa d’investigació de Texas Instruments. L’objectiu del programa era desenvolupar una nova tecnologia que permetés la reducció de les dimensions dels dispositius en circuits integrats més enllà dels límits de la tecnologia convencional que es preveien ja en aquell moment. Les investigacions se centraven en la recerca teòrica i experimental de díodes túnel ressonants i, en particular, de com la disminució de les dimensions laterals dels dispositius permet assolir el confinament quàntic dels electrons en tres dimensions.

Així doncs, als anys vuitanta ja eren presents les dues vessants que caracteritzen la nanoelectrònica: la disminució contínua de les dimensions dels circuits integrats (i, en especial, dels transistors d’efecte camp com a dispositiu clau que possibilita aquesta disminució) i la cerca de dispositius alternatius que, basant-se en fenòmens quàntics, permetessin l’augment continu de prestacions dels sistemes electrònics.

En la primera vessant, basada en silici i en circuits integrats, la nanoelectrònica va de bracet amb la microelectrònica. L’extraordinària evolució que ha tingut la tecnologia de fabricació de circuits integrats des de la invenció del transistor el 1947 ha permès que, actualment, sigui possible fabricar de manera industrial xips amb transistors les dimensions dels quals s’acosten als 10 nanòmetres. Els nous tipus de transistors d’efecte camp que s’estan desenvolupant en aquest segle, començant pels transistors FINFET, permeten encabir cada cop més transistors en els circuits integrats, fent que la llei de Moore estigui encara vigent. En aquesta memòria es fa una revisió de com són ara aquests transistors tant per a aplicacions lògiques (microprocessadors) com per a memòries. En aquest àmbit, la nanoelectrònica té, doncs, un impacte descomunal en la societat, ja que habilita totes les aplicacions que coneixem basades en el processament digital de la informació.

En la segona vessant, la nanoelectrònica proposa dispositius nous, que permeten un control diferent al clàssic del transport d’electrons. En el cas del control del transport col·lectiu d’electrons, trobem aproximacions com l’espintrònica, que, en comptes de manipular càrrega elèctrica, se centra en l’espín dels electrons, i les memoresistències, dispositius que poden donar lloc a la computació neuromòrfica, de gran interès, per exemple, per a la intel·ligència artificial.

La nanoelectrònica mostra tot el seu potencial en la capacitat de controlar el transport d’un sol electró. A més de la possibilitat d’aconseguir circuits que consumeixin molt poca energia, el control i la manipulació d’un sol electró, i l’espín d’aquest electró, obre la porta als semiconductors cap a les tecnologies quàntiques. Els darrers anys, els qbits basats en punts quàntics semiconductors han experimentat un avenç molt important, i es presenten com la tecnologia més prometedora, per la seva capacitat d’escalat, i per poder tenir, en el futur, computadors quàntics que, mitjançant un nombre prou elevat de qbits, arribin a solucionar problemes pràctics inabastables per als computadors tradicionals.

Sens dubte, l’electrònica —i, per tant, la nanoelectrònica— continuarà estan present a les nostres vides, com a mínim mentre la humanitat sigui capaç de produir l’energia necessària per gestionar el transport d’electrons. L’impacte que té en la societat actualment no pot si no anar-se incrementant, tenint en compte que la contínua evolució dels dispositius i els circuits electrònics permetrà anar augmentant les seves prestacions a mesura que es va millorant la tecnologia i es van introduint nous conceptes. Les àrees on es preveu un impacte més gran seran les de processament, emmagatzematge i transmissió de la informació, les tecnologies quàntiques, la sensòrica i la biomedicina, i en cadascun dels casos millorarà la gestió de l’energia. Tanmateix, la seva evolució no estarà exempta dels reptes que la humanitat ha d’afrontar, entre els quals, manca de recursos i sostenibilitat, formació i educació, democratització, seguretat i responsabilitat.

La mostra La revolució silenciosa, que fa un recorregut per la història del transistor fins als nostres dies, es pot visitar a la RACAB aquests dies.