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Nanoelectrnica Por: Jairo E. Mrquez D.

Figura 1. Representacin generada por ordenador de un catenano (dos o ms anillos qumicos entrelazados), esta molcula se mantiene ntegra porque los dos anillos estn entrelazados y no

pueden ser separados sin romperse al menos uno de ellos. La segunda figura es un rotaxano, un anillo (macrociclo) cerrado en torno a un eje. El anillo est entre el eje donde los grupos qumicos,

formados generalmente por diez o ms anillos bencnicos incorporados a cada extremo impiden que se salga, teniendo en cuenta que no hay interacciones qumicas entre el eje y el anillo. Crdito de la

imagen del documento HTML adaptado por el autor Matthew Carroll de su informe 'Towards the Synthesis of a catenane' sobre un trabajo de investigacin realizado en a Birmingham Universit}/.

The nanoelectronics based on the na-notechnologi;, is the next evolation of the microelectronic, in which the neto deuices wiU be designed to nanome-tcscales, ofan atomic or molecular size. This way, it is expected that with this technologi;, new si;stems of mo-lecular Computer and quantum com-puter superior are implemented to any current supercomputer, to permit that thefuture electronic devices are smaller than the box of matches and not bigger than a grain ofsand. The-se new computer systems wiU be much more potent and speedier, with a capacity of practically infinite sto-rage of data, reduced energy con-sumption and a lower operation cos This makes that the nanoelectronic is attractive to the industr\; nanotech-nologi;.

Key words: Nanoelectronics, self-as-sembling, nanotechnologu, molecular computer, quantum computer

INTRODUCCIN

Gran parte de nuestra actividad cotidia-na implica el uso de dispositivos que func ionan gracias a componentes elec-trnicos. Estos componentes se han per-feccionado durante las ltimas cuatro dcadas util izando bsicamente mate-riales semiconductores inorgnicos, en-tre los cuales el silicio es el protagonista indiscutible. Sin embargo, la tecnologa del silicio tiene sus limitaciones y, desde principios de los aos noventa, se est dedicando u n gran esfuerzo cientfico al desarrollo de u n a nueva electrnica, basada en el empleo de materiales mo-leculares electroactivos.^

Estos nuevos materiales de naturaleza orgnica, inorgnica e hbrida, sern el sustituto de los materiales que comn-mente se utilizaban en la industria m i -

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croeledrnica. Dichos materiales respon-dern igual o mejor a estmulos elctri-cos y luminosos de forma similar a los conductores y semiconductores inorg-nicos. P ej. Los polmeros conductores de electricidad (polmeros conjugados con alternancia de simples y dobles en-laces carbono-carbono).

LA LEY DE MOORE AL BORDE DEL COLAPSO

1965. G o r d o n Moore plantea que el nmero de transistores que contienen los microchips se dupl ican cada ao. Pos-teriormente, con el mejoramiento cons-tante de los mtodos de fotolitografa, el nmero de transistores se dupl ica cada 18 meses. Esto quiere decir, que cada 18 meses, por el mismo dinero se puede comprar u n microprocesador con el doble de potencia.

A h o r a , esta progresin tiene u n carc-ter f in i to , pues las leyes fsicas i m p o -nen u n lmite a las tcnicas actuales para seguir reduc iendo el t a m a o de los chips sin sacrificar su potencia . Tal es la s i tuacin, que se predice que dentro de 10 aos , a p r o x i m a d a m e n t e en el a o 2 0 1 0 , la ley de M o o r e deja de aplicarse.

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La SIA (Semiconductor Industry Asso-ciation) predice que las dimensiones cr-ticas en los circuitos integrados estn alcanzando la regin de los lOOnm, y finaliza con dimensiones por debajo de los 5 0 n m . Los circuitos integrados l le-garn a tener densidades de 10^^ bits/ c m ^ equivalente al cerebro h u m a n o que contiene aproximadamente lO^^si-napsis/cm^.

Sin embargo, el aumento de la veloci-dad de respuesta y el nmero de tran-sistores por chip han generando nuevos problemas para los ingenieros, que se han empeado en buscar soluciones que corrijan los efectos colaterales no desea-dos que surgen con la miniaturizacin. N o debemos olvidar, que con la tecno-loga actual, el t a m a o de las pistas conductoras en u n chip es del orden de 0.18/.im,^ y se espera que en unos p o -cos aos, estas pistas lleguen a u n m-n i m o de 0.1yu,m. Por lo tanto, cada tran-sistor de u n chip de este tamao, esta-ra conformado solamente por 100 to-mos aproximadamente.

Para sortear este escollo la microelec-trnica deber evolucionar; para que esta evolucin sea posible, debe existir una disciplina afn que permita crear nue-

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vos dispositivos a una escala m u c h o menor, aumentando de paso la poten-cia de procesamiento, con u n uso de energa m u y bajo. Esta disciplina es la Nanotecnologa, donde los elementos de trabajo directo, sern los tomos y las molculas para crear los nuevos dispo-sitivos electrnicos, tanto por la min ia -turizacin de las tcnicas de fabricacin clsica, como las nuevas tcnicas na-noescalares. As surge la electrnica m o -lecular o la Nanoelectrnica.

NANOELECTRNICA

El objet ivo de la nanoelectrnica, es manipular los procesos de construccin natural (emulando las leyes que en la naturaleza rigen estos procesos), para obtener a escala industrial sistemas elec-trnicos de alta comple j idad en u n es-pacio reducido, buscando que los na-nodispositivos sinteticen molculas m i -nimizando factores fsicos tales como el ruido trmico o blanco, disipacin tr-mica, gases txicos y la intervencin de la m a n o del hombre , adems de redu-cir y por qu no anular por completo los contaminantes en el proceso.

Gracias a la nanoelectrnica, actual-mente existen ya dispositivos implemen-tados en la industria microelectrnica y las telecomunicaciones tales como los cristales lquidos de matriz activa y pa-siva en pantallas de monitores y relojes, xerografa, sensores qumicos, biosenso-res y nanosensores, sistemas de imge-nes de alta definicin y nanocontactos en dispositivos de estado slido.

A nivel experimental se est trabajando en el procesamiento de seales pticas y optoelectrnicas, magnticas, qumi-cas y biolgicas para fabricacin de nanotransistores, nanodiodos," m e m o -rias dinmicas, conversores de energa solar, fotosensores, nanobiosensores y nanocontactos.

En fotnica no lineal se estudian los dis-positivos fotnicos (lseres con hilos o puntos cunticos), guas de onda fot-nicas, conectores intermoleculares, son-das pticas, arrays de nanohilos mag-nticos, conmutadores pticos, fuentes puntuales altamente coherentes de ha-

ces de electrones monoenergticos y LEDS. Membranas de almina, anodi -zacin y electrodeposicin, uniones me-tal-metal y clulas solares flexibles en-tre otros.

Se han hecho muchos avances signifi-cativos en esta nueva ciencia emergen-te, pero an falta sortear varios proble-mas, como son:

Tamao: Al reducir el tngano de los circuitos a nanoescala, se pueden intro-ducir ma\;or itinero de transistores, y debido a su corta distancia entre ellos, la velocidad de procesamiento aumen-ta drsticamente. El problema surge cuando la escala de trabajo, se acerca al tamao atmico, ya que empiezan a ma-nifestarse los fenmenos fsico-cunti-cos.

Escaa: A escalas nanomtricas, las le-yes de la fsica cuntica toman gran re-levancia. As, el comportamiento de los electrones se torna probabilstica, es decir el principio de incertidumbre de Heissenberg no puede omitirse, pues la posicin y comportamiento de los electrones y fotones a escalas atmicas, no es el mismo a escalas mesoscpicas.

Manipulacin: Para poder crear dis-positivos a nanoescala, se requiere de instrumentos y tcnicas muy refinadas para manipular los electrones y mol-culas. Los nicos instrumentos que pue-den asir la materia a nanoescala son el microscopio de efecto tnel STM y el microscopio de fuerza atmica AFM.

Desarrollo Tecnolgico industrial: La industria de los semiconductores confa an en el silicio, y han encontra-do soluciones alternativas para no de-clinar su uso, debido a que un cambio de tecnologa abrupto lo hace inuiable, ya que los costos de los equipos repre-sentan miles de millones de dlares. Este problema se ha tratado, emplean-do otros materiales hbridos, tales como el aluminio y titanio. Tambin existe otra solucin planteada por IBM llamada si-licon-on-insulator. que permitir redu-cir el tamao de los chips hasta los 0. i,um. Las soluciones son a corto pla-zo, pues el problema est latente, ya que la capacidad de los equipos actuales est llegando a sus lmites.

Estos problemas se estn solucionando mediante la implementacin de tcni-cas que se estn desarrollando para la construccin de circuitos moleculares, perfeccionando la purificacin de los semiconductores, estudiando otros ma-teriales para el dopaje de los nanocir-cuitos (AgGa)* y empleando otros siste-mas para reducir el espacio de grabado en las placas de silicio con el f in de i n -troducir mayor cantidad de transistores. Tambin se est trabajando la forma de transmisin de informacin a nivel i n -termolecular. As, I B M est trabando so-bre un fenmeno cuntico denominado espejismo cuntico, en el que no es p o -sible utilizar cables. El sistema que pre-tenden implementar, proyecta la infor-macin de u n tomo hasta otro p u n t o donde no hay u n tomo.

C o n la evolucin de la nanotecnologa, ser factible reordenar tomos y mol-culas para generar nuevas estructuras a escalas nanomtricas, micromtricas y mesoscpicas. Luego, el concepto na-noindustria no ser una simple utopa, sino una realidad dentro de pocos aos, en la que el ensamble y autoensamble molecular sern los nuevos elementos de trabajo, permit iendo la construccin de na no r o bo t s , n a n o c o m p u t a d o r e s , nanosensores, nanoc i rcu i tos ( A D N , A R N , nanotubos y otras molculas) , nanoelectrnica, nanointermptores y na-nomateriales entre otros.

COMPUTACIN MOLECULAR

L a velocidad de los computadores y su capacidad de almacenamiento de da-tos, han sido las principales barreras en el desarroUo de la inteligencia artificial, la v ida artificial y la robtica. Gracias a los avances en nanotecnologa, se p o -drn desarrollar en pocos aos, compu-tadores 100.000 veces ms potentes que los actuales. Esta nueva generacin de computadores est basada en molcu-las naturales tales como el A D N y el A R N . Las compuertas lgicas emplea-das por los circuitos de cmputo actua-les, sern sustituidas por molculas, i n -cluyendo los conectores e interruptores. C o n estos cambios se espera que los nuevos dispositivos de computacin

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sean m u c h o ms rpidos, verstiles y ptimos.

Para hacer viable la nanoelectrnica en trminos industriales enfocado a la com-putacin, se est investigando sobre las formas de ensamblaje qumico, es de-cir, circuitos que se formen por s solos y tengan la propiedad de ser autoconfi-gurables y reversibles (dinmicos). Esta tarea titnica debe recurrir a otras dis-ciplinas relacionadas con la nanotec-nologa, como ciencia de los n a n o m a -teriales, la qumica cuntica, qumica supramolecular , fsica de materiales y del estado slido, fsica cuntica , qu-m i c a c o m p u t a c i o n a l y m o l e t r n i c a entre otras.

La investigacin ms prometedora, est dirigida a la moletrnica, en la cual exis-ten molculas, que conforman verdade-ros motores moleculares, interruptores nanoescalares y sistemas de almacena-miento molecular esttico y dinmico. Para poder construir estos sistemas, se estn empleando estructuras qumicas moleculares de configuracin variable, como son los catenanos, y los rotaxa-nos. Estas molculas estn formadas por anillos o macrociclos entrelazados atra-vesados por un nanohilo recto de mol-culas que pueden ensamblarse entre s, creando verdaderos cables moleculares.

El rotaxano posee la propiedad de me-m o r i a de forma, en el que segn el am-biente donde se encuentre, adopta una configuracin particular, haciendo que este proceso sea reversible si el medio cambia. Por esto, estas molculas son ideales para actuar como interruptores moleculares. (Ver figura 1)

El diseo de estas molculas aade u n grado de libertad rotacional no asequi-ble a otros sistemas, permit iendo el de-sarrollo de nanodispositivos (interrupto-res) como los nuevos sistemas de alma-cenaje de informacin, las computado-ras moleculares, permit iendo el paso de electrones prcticamente en forma or-denada y selectiva a travs de la mol-cula. L a aplicacin de estas molculas en el diseo de los nuevos computado-res, aumentar su velocidad de proce-samiento (10^* veces ms rpidas que

las actuales), a dems de ser extrema-damente pequeas, se espera que sean m u y baratas.^

Otros dispositivos que se estn proban-d o son los basados en nanotubos de carbono, que son cilindros de carbono puro que poseen interesantes propieda-des dielctricas, elctricas y semiconduc-toras a nanoescala. Abr iendo el cami-no a la fabricacin de circuitos molecu-lares y redes de nanotubos.

Part icularmente se estn empleando nanotubos de carbono de pared nica, cuya propiedad es no presentar defec-tos geomtricos en su estructura mole-cular. Este permite crear uniones entre ellos carbono-carbono de forma hexa-gonal, aumentando su resistencia me-cnica y propiedades elctricas de for-m a ideal. Entonces, la aplicacin de radiacin y calor en este nanohilo, p r o -duce los defectos necesarios para que estos enlaces se formen sin daar sus propiedades elctricas. La aplicacin de este t ipo de nanotubos est dir igida a crear los conectores necesarios para la operat ividad de los dispositivos nano-electrnicos.

La nanoelectrnica ser sin d u d a algu-na el relevo de la microelectrnica. Esta ciencia se ha diversificado rpidamen-te, dando origen a otras disciplinas afi -nes como son:

Moletrnica o electrnica molecular. Electrnica de espn (espintrnica).

Materiales granulares en forma de lmina delgada. Nanoestructuras magnticas. Matrices nanomtricas.

M o l e t r n i c a : Estudia la creacin y ma-nipulacin de molculas replicantes y autoreplicantes con caractersticas espe-cializadas para aplicaciones electrnicas a nanoescala. Esta nueva tecnologa sustituir a los transistores, diodos y conductores de circuitera de la micro-electrnica actual, en el que las mol-culas empleadas tienen la capacidad de comportarse como u n semiconductor y

sostener cargas, incluso poseer la p r o -p iedad de funcionar como m e m o r i a . Adems se espera que estos nuevos dis-positivos trabajen con una mayor tasa de velocidad de procesamiento, bajo consumo de energa y una alta capaci-dad de almacenamiento - el surgimien-to de los chips moleculares.

E s p i n t r n i c a : La explotacin del es-pn de u n electrn para llevar informa-cin, en vez de su carga, se l lama es-pintrnica. U n o de sus objetivos es me-jorar la calidad de almacenamiento, m o -dif icando la clsica memor ia R A M (la cual como es sabido, residen los p r o -gramas que se estn ejecutando en el computador cuando ste se haya encen-dido) , por una memoria R A M magnti-ca M - R A M .

L a espintrnica proporciona las propie-dades bsicas requeridas por tecnologas avanzadas, como la integracin en chips de funciones de procesamiento electr-nico, almacenamiento magntico y com-putacin cuntica, que dependen de rit-mos coherentes de espn para transmitir y almacenar informacin. Trabaja en la fabricacin de uniones tnel magnti-co, despolarizacin en interfases mole-culares y heteroestructuras. Transporte electrnico de biosistemas, plantillas de copolimero de Di-bloque, dispositivos moleculares y qumica sinttica. Tran-sistores orgnicos, cristales fotnicos, materiales magnticos moleculares y sis-temas mesoscpicos magnticos. Inge-niera de protenas y bioingeniera con aplicaciones biomdicas.

M a t e r i a l e s granulares e n f o r m a de l m i n a delgada: Los materiales granu-lares juegan un importante rol en m u -chos procesos productivos industriales, como la minera, la geologa, la agricul-tura, la ingeniera y la industria farma-cutica, donde cerca de la mi tad de los productos de esta ltima y al menos los tres cuartos de los materiales en bruto se manejan en f o r m a granular.

L a expresin material granular agrupa todos los materiales compuestos exclu-sivamente por granos o partculas inde-pendientes, que pese a su aparente sim-pl ic idad, su comportamiento permite

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considerar estos materiales como u n nuevo estado de la materia, en el que se compor tan como u n slido, u n lquido o u n gas, donde la clave est en que los granos no son to-mos y la interaccin entre ellos es m u y distinta a la interac-cin entre molculas normales. Adems de otras propieda-des, como la dilatancia (capacidad de expandirse como u n todo) , la segregacin (o separacin de las partculas por ta-mao) , la particular distribucin de una fuerza aplicada, la formacin de dunas o la posibi l idad de sufrir avalanchas.

Nanoest ruc turas m a g n t i c a s : El estudio est centrado en aplicaciones orientadas al almacenamiento de datos a nivel magntico, memorias de acceso al azar y sensores magnti-cos: Anisotropas magnticas y actividad magneto-ptica en aleaciones binarias ordenadas qumicamente, magnetismo y magneto-ptica en nanoestructuras de Fe (001) altamente distorsionadas (Efecto de la distorsin de red en la estructura electrnica). Nanoislas de Fe (110) con influencia del desor-den a nivel atmico en la transmisin de interacciones mag-nticas y su consecuencia en el magneto-transporte.

Interacciones magnticas en sistemas de microbaldosas epi-taxiales, epitaxia sobre GaAs de sistemas hbridos magnti-cos metal/aislante y magneto-resistencia tnel en uniones tnel epitaxiales. Ensambladores magnticos tnel, dispositivos espintrnicos, pelculas finas, nanopartculas, alambres, ani-llos y puntos cunticos, nanoestructuras semiconductoras y nanoestructuras de carbono.

M a t r i c e s n a n o m t r i c a s : Consiste en el estudio de las co-rrelaciones entre las microestructuras y propiedades magnti-cas de materiales que requieren el uso de simulaciones m i -cromagnticas; estabilidades trmicas y grabacin magnti-ca. Estas simulaciones permiten predecir cualitativamente el comportamiento ptimo de u n material magntico para su posible uso en diversas aplicaciones tales como sensores o M E M S . Se analizan propiedades como la cohersividad y re-manencia de materiales nanoestructurados de alta anisotro-pa tales como S m C o o FePt, modos de inversin e interac-ciones magnticas, y estabilidad frente a las fluctuaciones trmicas. La simulacin tambin consiste en el desarrollo de nuevos mtodos de clculo y nue-vos modelos ms realistas. En este aspecto se trabaja en el desarrollo de mtodos numricos capaces de predecir la estabilidad trmica de u n m e d i o a largo t iempo de la manera ms realista posible.

Otros campos de estudio son el diseo de nue-vos materiales magnetorresistentes desde el p u n t o de vista de la qumica de slidos inorg-nicos empleando xidos con estructura de pe-

alta presin hidrosttca. Modelado electrodinmico de p r o -piedades pticas de nanopartculas para crear nuevos senso-res qumicos y biolgicos, que poseen alta sensibilidad y se-lectividad mejores que los sensores convencionales.

Aspectos atmicos del crecimiento de sistemas magnticos de baja dimensional idad para almacenamiento magntico de alta densidad mediante experimentos de difraccin de tomos de helio (HAS), de electrones (LEED) y rayos X (XRD), espectroscopia Kerr y simulaciones numricas para investigar los procesos de crecimiento epitaxial de materiales magnti-cos como Fe y Co sobre substratos monocristalinos de C u . Espectroscopia Raman en ferrofludos'' surfactados como i-nicos en formaciones estiructurales dentro de campos mag-nticos bajos de hasta 0.25Teslas en funcin de la concen-tracin y la temperatura.

Se estudian tambin los fenmenos relacionados a la locali-zacin elect-nica y distorsiones estructurales en transiciones metal/aislante de xidos simples. Magnetorresistencia inver-sa en superredes metlicas Fe/Cu. Fuerza de anclaje, m o v i l i -d a d y efectos de memor ia en superconductores de alta t em-peratura crtica mediante el anlisis de la red de sus vrtices, sus defectos topolgicos o dislocaciones. E n este caso se estudian el c o m p o r t a m i e n t o fsico de materiales tan diver-sos c o m o superconductores de alta temperatura , super-fluidos, materiales magnt icos , metales, cristales lquidos, membranas , etc.

C o n todas las ciencias enunciadas anteriormente, trabajan-d o al tiempo, se espera que dentro de cinco o diez aos, sea el almacenamiento de datos. Los controladores de discos han incorporado capas de sust-ato nanomtricos, con el f in de aumentar su densidad y as duplicar o cuadruplicar el almacenamiento. I B M en Zurich, trabaja en la miniaturiza-cin del registro de datos (Disco Duro) . El sistema de almace-namiento conocido como Millipede est basado en u n con-junto de 1.024 agujas de A F M (Microscopio de Fuerzas Atmi-cas) en una mat-iz cuadrada (ver figura 2) que pueden escribir bits de informacin de no ms de 5 0 n m de dimetro.

rovskita tales como SrgCoWOg, Sr^ReCrOg, S r , R e M n O ^ ,

Sr^CoMoOg, C a g R e M n O g

CagReMCrOg, sintetizadas en diversas condicio-nes tales como atmsfera de aire, de o bajo

Figura 2. Prototipo de chip de matriz cuadrada para computacin de alta velocidad, compues-to por 1024 agujas similares a las utilizadas en el microscopio de fuerzas atmicas, capas de

grabar gran cantidad de informacin en un espacio supremamente reducido. Crdito imagen IBM research

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El objetivo de a nanoelectrnica, es manipular los procesos de construccin

natural (emulando las /eyes que en la naturaleza rigen estos procesos), para obtener a escala industrial sistemas electrnicos de alta

complejidad en un espacio reducido, buscando que los nanodispositivos sinteticen molculas minimizando factores fsicos tales como el ruido trmico o blanco, disipacin

trmica, gases txicos y la intervencin de la mano del hombre, adems de reducir y por

qu no anular por completo los contaminantes en el proceso.

El mismo conjunto es capaz luego de leer la informacin e incluso reescribirla. Estableciendo u n paralelo de este siste-m a con el actual basado en la memor ia magntica puede guardar alrededor de 2Gbits/cm2, e incluso puede alcanzar los 12Gbits/cm2. El Millipede puede almacenar entre 35Gbits/cm^ y 80Gbits/cm^ si se utiliza una aguja nica.

Si llegase a utilizar millones de agujas, podra lograrse u n almacenamiento del orden de los Terabytes, algo as como de 40 a 50 veces lo que est disponible hoy comercialmente, aparte de la alta velocidad que tendra, que sera el doble de u n disco actual (ms de IS.OOOrev). Otra ventaja a parte del tamao, es su reducido consumo energtico y su alta capaci-d a d de memoria . Por ello, el proyecto milpis consistente en construir millones de pequeas puntas de manera que unas leen datos y otras procesan, seleccionan y t o m a n decisiones.

U n dato a tener en cuenta es que el proyecto Mil l ipede de I B M ha sido modif icado, aumentando su nmero de agujas de lectura-escritura a cuatro veces. Esto hace que esta tecno-loga sea mucho ms viable de lo que se pensaba, y asequi-ble dentro de pocos aos. Tal vez la veamos en la nueva generacin de computadores personales.

En el campo de la nanoelectrnica, las nuevas mol-culas con las cuales se est investigando, t ienen la capacidad de comportarse como semiconductores y sostener cargas, incluso funcionar como memorias; esto permitir que la moletrnica sustituya lo que hace actualmente el silicio, adems de mejorar la capacidad de muchos dispositivos electrnicos ac-tuales (microchips de silicio), donde la disipacin tr-mica ser historia - grave problema de los dispositi-vos actuales- Por ejemplo, investigadores de la University of Illinois en Urbana-Champaign han creado u n transistor^ ca-talogado como el ms rpido del m u n d o hasta ahora. C o n

una frecuencia de 509GHz y u n tamao de 7 5 n m .

Su construccin est basada en indio y otros compuestos exticos, inherentemente ms rpidos que los convenciona-les, capaces de manejar una densidad de corriente m u c h o ms alta. El transistor puede cargarse y descargarse ms r-pidamente, mejorando su velocidad, lo cual permitir crear sistemas de comunicacin inalmbrica de alta velocidad ms flexibles y seguros, permitiendo realizar conversiones analgi-co-digitales ms veloces, para su uso en sistemas de radar y de combate electrnico. Se espera obtener u n transistor que trabaje a una frecuencia de I T H z o ms.

COMPUTACIN CUNTICA.

De la escala molecular se quiere pasar a la escala atmica, para crear el pr imer computador cuntico. Las Universida-des de Harvard y Cornell presentaron, de forma indepen-diente, transistores electrnicos constituidos por dispositivos formados por una sola molcula compuesta por tomos de cobalto-terpiridinil y de una molcula de divanadio, con los que se demostr la capacidad para controlar el flujo de elec-trones a nivel atmico-molecular.

L a computacin cuntica difiere totalmente de cualquier sis-tema de cmputo actual, empezando por la forma de codif i -cacin. Clsicamente existen dos estados O y 1 , conocido como cdigo binario ; cunticamente existen tres estados lla-mados Qubits, O, 1 y 10 o 0 1 , permit iendo el almacena-miento masivo y simultneo de datos en tres dimensiones. A h o r a , para realizar clculos ms o menos complejos, el computador cuntico requiere mnimo 1.000 partculas.

Para mayores clculos de alta complej idad, es necesario co-ordinar unas 100.000 partculas. Algo interesante de los com-putadores cunticos, es su velocidad de procesamiento, cer-cana a la de la luz, el tamao microscpico que tendr el dispositivo como tal y las infinitas aplicaciones que se le p o -dr dar.

El flujo de electrones de u n electrodo al otro se realiza por u n salto en el tomo de cobalto. L a segunda imagen es una ampliacin del anterior, con el agregado de la molcula de

Figura 3. Uno de los prototipos de computador cuntico, es el que est desarrollando la universidad de Cornell, para crear un transistor de un solo

tomo. En cada molcula hay un tomo de cobalto (azul oscuro), retenido por una molcula de piridina (Pyridine, CHN) y adems hay tomos de

azufre (rojo), usados para fijar la molcula a los electrodos de oro.

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pir idina , a m o d o de explicacin en el dibujo, toda la molcula (las 6 molcu-las de pir id ina ms el tomo de cobal-to) es una supramolcula. Crditos de las imgenes Marcos M a n u e l Snchez.

Para que el procesamiento de la infor-macin se efecte por medio de los n i -veles energa de determinados tomos, la computadora cuntica hace uso del cmputo en paralelo mediante el em-pleo de los qubits (Quantum Bit) , j u -gando con los coeficientes de la super-posicin cunt ica de los estados cero y uno , p o t e n c i a n d o la capacidad de cmputo hasta lmites in imaginables . Se especula ter icamente , que sera posible preparar las partculas para registrar los inf in i tos estados existen-tes entre el cero y el u n o .

Gracias a la nanoelectrnica,

actualmente existen ya dispositivos implementados

en la industria microelectrnica y las

telecomunicaciones tales como os cristales lquidos

de matriz activa y pasiva en pantallas de monitores y

relojes, xerografa, sensores qumicos, biosensores y

nanosensores, sistemas de imgenes de alta definicin

\; nanocontactos en dispositivos de estado slido.

Las ingentes posibilidades que ofrece u n ordenador de este t ipo se potenciara an m s p o r u n extrao f e n m e n o cuntico conoc ido c o m o entrelaza-miento o entanglement, claro est cuan-d o se controle correctamente el fenme-no de la decoherencia cuntica, pues gracias a esta, los estados internos de superposicin cuntica (las partculas elementales existen en varios estados

superpuestos al mismo t iempo) son ex-tremadamente tiles, y a la vez frgiles, ya que al entrar en interaccin con el entorno puede destruirlos fcilmente. La decoherencia se produce cuando los to-mos de u n gas caen de u n nivel energ-tico superior (estado excitado) a u n n i -vel inferior. Este proceso se l lama emi-sin espontnea, porque al caer emiten espontneamente u n fotn de luz.

I B M en el Centro de Investigacin de Almadn California, se ha propuesto la tarea de desarrollar el pr imer computa-dor cuntico que consta de cinco qubits conformados por cinco tomos de flor dentro de una molcula que efectan ciertas rotaciones de sus ncleos, de tal manera que puedan interactuar las unas con las otras como qubits, esto permite que sean programadas mediante p u l -sos de radiofrecuencia y ser medidas o detectadas por m e d i o de resonancia magntica nuclear R M N .

Investigadores del Laboratorio Nacional de Los Alamos han conseguido obtener la coherencia cuntica con una mol-cula de siete qubits, abriendo la posibi-l idad de poder desarrollar en u n futuro prximo sistemas de docenas de qubits, capaces de resolver problemas c o m p u -tacionales no lineales escalares, i m p o -sibles o no viables para los sistemas de cmputo actual - los perodos de t iem-p o de problemas de alto grado de com-ple j idad slo los pueden abordar los supercomputadores, pero existen p r o -blemas tan compl icados , que u n sis-tema de esta categora tardara miles de aos en obtener u n a solucin - o eventualmente desarroar u n algorit -m o cuntico.

L a computacin cuntica debe superar muchos obstculos fsicos para que se consolide, empezando por coordinar ms de 100.000 partculas para obte-ner ordenadores moleculares de capaci-d a d comercial . De superarlos, los nue-vos sistemas de cmputo cunticos po-dran romper fcilmente cualquier siste-m a de seguridad informtico y de cm-puto en cualquier parte del m u n d o , lo que es u n grave problema para la segu-r idad de cualquier pas.

A la par que sern prcticamente invul -nerables a ser intervenidos. Viendo lo positivo de este asunto, se puede garan-tizar que la informacin que viaje por medios cunticos ser ms segura e i n -violable, ya que no existe forma de i n -terceptar mensajes, romper cdigos y reenviados sin que el destinatario des-cubra que la informacin ha sido obser-vada o bajada. De hecho, ya existen empresas que comercializan dispositivos criptogrficos basados en las leyes de la mecnica cuntica.

CONCLUSIN

Si bien las bases de la nanoelectrnica no estn del todo consolidadas, es evi -dente que el potencial que ofrece a n i -vel tecnolgico es m u y alto y no puede ser ignorado. Esta ciencia v a a revolu-cionar la industria de la electrnica lle-vndola a niveles tcnicos y tecnolgi-cos sin precedentes. Los chips molecu-lares, dotados de miles de millones de transistores podrn ser producidos en serie a u n costo nfimo, con prestacio-nes j ams imaginadas, tales como ma-nejar una velocidad de procesamiento miles de veces mayor que u n supercom-putador actual, tendrn una mayor ca-pacidad de memor ia con u n consumo m u y bajo de energa, en el que opera-rn en paralelo emulando una red neu-ronal humana, donde los datos se al-macenarn en tres dimensiones, ya sea en forma atmica, o fotnica. 0

* EL AUTOR

Jairo E. Mrquez D. Ingeniero Electr-nico, Fsico - Matemtico, con especiali-zacin en docencia universitaria, bio-tica, telecomunicaciones y redes. Maes-tra en biotica (Sistemas Emergentes y Nanotecnologa). Docente investigador en el rea de telecomunicaciones en a Uniuersidad de Cundinamarca UDEC (Fusagasug), Facultad de Ingeniera Electrnica y de Sistemas. Trabaja en el diseo y desarroUo de antenas fractales e hbridas. Actualmente trabaja para la publicacin de su libro sobre Nanotec-nologa.

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1 R. L. Carroll, C. Gormar:. Angew. Chem. Int: Ed. 2002. 41. 4378. T. Tstsui. K. Fjita, Adv. Mater "

2 500 veces ms delgadas que un cabello humano. El radio del tomo es slo unas 1,000 veces menor. El espesor entre capas es del orden de cuatro a cinco tomos en algunos casos.

3 Se estn utilizando lseres pulsantes para crear nanopuntos de nquel de 6 y lOnm de dimetro, que los hace ideales para ser empleados en la fabricacin de materiales extremadamente duros y memorias de ordenador ultra-densas, er l que se espera almacenar un bit individual de informacin en un chip de una pulgada de ancho, y que podra llegar a almacenarse hasta 10 Trahits de datos, ms de treinta mil rnillones,de operaciones por segundo.

Estos nanopuntos van a ser la prxima generacin de diodos emisores de luz (LEDs), que sern ms eficientes que los actuales, y se espera que duren dcadas, gastando una fraccin de energa consumida por una bombilla fluorescente.

Con esta tecnologa, se permite el desarrollo de materiales nanoestructurados para almacenamiento de informacin, transistores de varios tipos, biomateriales y recubrimientos superfuertes. entre otros,

4 El arseniuro de galio es superior al silicio en muchos aspectos como: velocidad con la cual los electrones se desplazan en el medio, mejor respuesta en las operaciones con seales dbiles (bajo nivel de ruido), rnayor capacidad de deteccin de la luz y la facilidad con a que pueden modificarse las separaciones entre sus bandas electrnicas, Por qu no se ha implementado an? Porque los costos de construccin e implementacin de equipos a escala industrial los hace excesivamente elevados. --

5 Es importante resaltar, que actualmente se est desarrollando un proyecto para la construccin de la primera.computadora molecular El proyecto se conoce con las siglas en ingles CAEN (Chemically Assembled Electronic Nanocomputers), nanocomputadoras electrnicas qumicamente ensambladas.

6 Los ferrofludos son suspensiones coloidales de partculas magnticas de unos pocos nanmetros de dimetro con crecientes y mltiples aplicaciones en la tcnica y medicina, debido a sus peculiares propiedades fsicas como su comportamiento -superparamagntico. La espectroscopia de Raman permite observar los estados de vibracin molecular, y sirve como una huella digital para la identificacin de molculas especficas.

7 El transistor es el elemento central de os microprocesadores que aloja centenares de miles de ellos. Funcionan como llaves electrnicas de tres contactos en el que uno de ellos regula la conduccin de corriente entre los otros dos. Para otras aplicaciones los transistores existen

- como corriponentes individuales con tres patas que estn soldadas a la plaqueta.

Debido a la constante miniaturizacin de los dispositivos electrnicos, ta posibilitado a integracin de una mayor cantidad de stos en un espacio intermedio entre lo micromtrico y lo nanometrico. Por lo tanto, al colocar millones de unidades dentro de un solo chip se logra obtener niveles de integracin que se manejan actualmente en los microprocesadores. De ah que derive el nombre de circuito integrado.

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