El investigador Francesc Pérez Murano ingresa en la Reial Acadèmia de Ciències i Arts de Barcelona

Francesc Pérez Murano, investigador del Instituto de Microelectrónica de Barcelona en el Grupo de NEMS y Nanofabricación (NANONEMS), ingresa hoy como académico numerario a la Reial Acadèmia de Ciències i Arts de Barcelona. Pérez Murano tendrá su sesión de recepción a las 18 horas en la Sede de la Academia (Rambla 118, Barcelona) y será contestada por el académico numerario Excmo. Sr. Xavier Obradors i Berenguer (ICMAB-CSIC).

La Nanoelectrònica: la filla més quàntica de l’Electrònica

La nanoelectrónica es una rama de la electrónica —y, por lo tanto, de la física— y, como tal, su objeto de estudio es el transporte de electrones. Los elementos funcionales de la electrónica son los dispositivos, mediante los cuales controlamos el transporte de electrones. Los dispositivos son los responsables de incorporar las funciones básicas de procesamiento, almacenamiento y transmisión de señales eléctricas, es decir, de la aplicación práctica de la electrónica. La nanoelectrónica se centra en los dispositivos electrónicos, la dimensión de los cuales se encuentra en el rango de los nanómetros, típicamente, por dimensiones por debajo de los 100 nanómetros.

La nanoelectrónica se originó como necesidad de encontrar soluciones en las limitaciones que se preveía que tendría la microelectrónica en su evolución hacia dimensiones cada vez más pequeñas. Aun así, dispositivos de medida nanométrica también son objeto de estudio en la microelectrónica. No obstante, la nanoelectrónica incide en aquellos aspectos que hacen que la medida nanométrica haga emerger una fenomenología particular y diferenciada. La física de los objetos muy pequeños está dominada por la física cuántica. En la nanoelectrónica, los efectos cuánticos se manifiestan de una manera excepcional.

La miniaturización de los dispositivos electrónicos y, en particular, los dispositivos de estado sólido, ha llevado de una manera natural a la nanoelectrónica. De hecho, la comprensión de la fenomenología del transporte de electrones en un sólido no se produjo hasta que se aplicó el formulismo de la mecánica cuántica, a finales de los años veinte del siglo pasado. Por lo tanto, implícitamente, en aquel momento se podría hablar ya de nanoelectrónica. Ahora bien, el término nanoelectrónica no se usó explícitamente hasta el 1987, en un programa de investigación de Texas Instrumentos. El objetivo del programa era desarrollar una nueva tecnología que permitiera la reducción de las dimensiones de los dispositivos en circuitos integrados más allá de los límites de la tecnología convencional que se preveían ya en aquel momento. Las investigaciones se centraban en la investigación teórica y experimental de diodos túnel resonantes y, en particular, de cómo la disminución de las dimensiones laterales de los dispositivos permite lograr el confinamiento cuántico de los electrones en tres dimensiones.

Así pues, en los ochenta ya estaban presentes las dos vertientes que caracterizan la nanoelectrónica: la disminución continua de las dimensiones de los circuitos integrados (y, en especial, de los transistores de efecto campo como dispositivo clave que posibilita esta disminución) y la búsqueda de dispositivos alternativos que, basándose en fenómenos cuánticos, permitieran el aumento continuo de prestaciones de los sistemas electrónicos.

En la primera vertiente, basada en silicio y en circuitos integrados, la nanoelectrónica va de la mano con la microelectrónica. La extraordinaria evolución que ha tenido la tecnología de fabricación de circuitos integrados desde la invención del transistor el 1947 ha permitido que, actualmente, sea posible fabricar de manera industrial chips con transistores cuyas las dimensiones se acercan a los 10 nanómetros. Los nuevos tipos de transistores de efecto campo que se están desarrollando en este siglo, empezando por los transistores FINFET, permiten meter cada vez más transistores en los circuitos integrados, haciendo que la ley de Moore esté todavía vigente. En esta memoria se hace una revisión de cómo son ahora estos transistores tanto para aplicaciones lógicas (microprocesadores) como para memorias. En este ámbito, la nanoelectrónica tiene, pues, un impacto descomunal en la sociedad, puesto que habilita todas las aplicaciones que conocemos basadas en el procesamiento digital de la información.

En la segunda vertiente, la nanoelectrónica propone dispositivos nuevos, que permitan un control diferente al clásico del transporte de electrones. En el caso del control del transporte colectivo de electrones, encontramos aproximaciones como la espintrónica, que, en vez de manipular carga eléctrica, se centra en el espín de los electrones, y las memoresistencias, dispositivos que pueden dar lugar a la computación neuromòrfica, de gran interés, por ejemplo, para la inteligencia artificial.

La nanoelectrónica muestra todo su potencial en la capacidad de controlar el transporte de un solo electrón. Además de la posibilidad de conseguir circuitos que consuman muy poca energía, el control y la manipulación de un solo electrón, y el espín de este electrón, abre la puerta a los semiconductores hacia las tecnologías cuánticas. Los últimos años, los qubits basados en puntos cuánticos semiconductores han experimentado un adelanto muy importante, y se presentan como la tecnología más prometedora, por su capacidad de escalado, y para poder tener, en el futuro, computadores cuánticos que, mediante un número bastante elevado de qubits, lleguen a solucionar problemas prácticos inabarcables para los computadores tradicionales.

Sin duda, la electrónica —y, por lo tanto, la nanoelectrónica— continuará estando presente en nuestras vidas, como mínimo mientras la humanidad sea capaz de producir la energía necesaria para gestionar el transporte de electrones. El impacto que tiene en la sociedad actualmente no puede si no irse incrementando, teniendo en cuenta que la continua evolución de los dispositivos y los circuitos electrónicos permitirá ir aumentando sus prestaciones a medida que se va mejorando la tecnología y se van introduciendo nuevos conceptos. Las áreas donde se prevé un impacto más grande serán las de procesamiento, almacenamiento y transmisión de la información, las tecnologías cuánticas, la sensórica y la biomedicina, y en cada uno de los casos mejorará la gestión de la energía. Aun así, su evolución no estará exenta de los retos que la humanidad tiene que afrontar, entre los cuales, carencia de recursos y sostenibilidad, formación y educación, democratización, seguridad y responsabilidad.

La muestra La revolució silenciosa, que hace un recorrido por la historia del transistor hasta nuestros días, se puede visitar en la RACAB estos días.