El límite físico de las interconexiones actuales
Las interconexiones, los cables que conectan los transistores dentro de los microchips, se han fabricado tradicionalmente con cobre debido a su alta conductividad. Sin embargo, a medida que la electrónica continúa reduciéndose, el cobre se convierte en un conductor notablemente deficiente. Ahora, los científicos han descubierto una nueva clase de materiales que contienen cuasipartículas exóticas, las cuales podrían permitir la creación de interconexiones de próxima generación que mejoran su conductividad a medida que se vuelven más delgadas.
El problema que enfrentan actualmente las interconexiones de cobre está relacionado con el camino libre medio del metal, que es la distancia promedio que un electrón puede recorrer antes de chocar con una molécula. Una vez que los cables de cobre se reducen por debajo de este límite —en el caso del cobre, 40 nanómetros—, su conductividad eléctrica cae drásticamente debido a que los electrones experimentan una mayor cantidad de colisiones.
¿Por qué la topología es clave para la próxima generación?
Los investigadores están examinando otros metales que muestran una mejor conductividad a escalas nanométricas para su uso en interconexiones. Por ejemplo, el cobalto y el rutenio tienen caminos libres medios de electrones de 10 nm y 6 nm, respectivamente. Esto significa que las interconexiones fabricadas con estos metales pueden ser más pequeñas que los cables de cobre antes de encontrar el mismo problema de conductividad. Sin embargo, si se reducen lo suficiente, deberán enfrentar el mismo desafío.
En un estudio reciente, los científicos investigaron materiales topológicos, los cuales poseen propiedades extraordinarias basadas en la topología de sus estructuras. Los investigadores sintetizaron nanocables hechos de uno de estos materiales como prueba de concepto. "No necesitamos muestras ultra puras o de alta calidad, ni temperaturas extremadamente bajas o alto vacío para observar los efectos cuánticos", afirma Judy Cha, profesora de ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad de Cornell. "Nuestras mediciones se realizaron a temperatura ambiente en bajo vacío o al aire libre. Para mí, esto es sorprendente".
La topología es la rama de las matemáticas que investiga qué aspectos de las formas pueden sobrevivir a la deformación. Por ejemplo, un objeto con forma de dona puede deformarse hasta convertirse en una taza, donde el agujero de la dona forma el hueco en el asa de la taza, pero no podría ser empujado o estirado hacia una forma que careciera de un agujero sin romper el objeto.
Utilizando conocimientos de la topología, los investigadores desarrollaron por primera vez un tipo de material topológico llamado aislante topológico electrónico en 2007. Los electrones que se desplazan a lo largo de los bordes o superficies de estos materiales están "topológicamente protegidos" contra el tipo de dispersión observado en conductores estándar, lo que significa que resisten fuertemente cualquier perturbación que pueda obstaculizar su flujo, de manera similar a como una dona resistiría cualquier cambio que eliminara su agujero.
Sin embargo, aunque los aislantes topológicos son conductores en sus superficies, permanecen aislantes en su interior (bulk). Por el contrario, otros materiales topológicos conocidos como semimetales de Weyl son conductores tanto en su interior como en sus superficies, donde poseen estados conductores protegidos topológicamente. Esto los hace "mucho más conductores que los aislantes topológicos", explica Cha.
Los semimetales de Weyl obtienen sus propiedades conductivas especiales de las versiones de cuasipartículas de los fermiones de Weyl, partículas subatómicas teóricas que no tienen masa y transportan carga eléctrica. (Las cuasipartículas son excitaciones colectivas de átomos dentro de los materiales que se comportan como si fueran partículas en el espacio libre).
Estas cuasipartículas hacen que las superficies de los semimetales de Weyl sean más conductoras. Por lo tanto, a medida que los cables de semimetales de Weyl se vuelven más delgados y la relación entre su superficie y su volumen aumenta, la contribución de la superficie a la conducción eléctrica también debería crecer. Esto podría, teóricamente, darles una ventaja sobre otros materiales en las interconexiones a medida que se miniaturizan.
¿Cuál es el potencial de los nanocables de arseniuro de niobio?
En el nuevo estudio, Cha y sus colegas sintetizaron nanocables del semimetal de Weyl, arseniuro de niobio, utilizando un método conocido como nanomoldeo termomecánico. Este método permitió a los investigadores fabricar un nanocable monocristalino de dos a tres micrómetros de largo y tan delgado como 40 nanómetros de ancho.
Los científicos descubrieron que la resistividad de los nanocables de arseniuro de niobio disminuía a medida que su diámetro se reducía. A temperatura ambiente, un nanocable de 40 nm de ancho mostró una resistividad aproximadamente un 70 por ciento menor que la de los cristales individuales a granel. Sus análisis sugieren que esta mejora se debió a la conducción superficial.
Aunque los cables de arseniuro de niobio de 40 nm de ancho fueron más conductores que los cables de cobalto o rutenio del mismo tamaño, no resultaron ser más conductores que las interconexiones de cobre de última generación de 10 nm de espesor. No obstante, los investigadores esperan que los nanocables de arseniuro de niobio de unos 12 nm de diámetro superen a dichas interconexiones de cobre. A aproximadamente ese diámetro o menos, la contribución superficial de estos nanocables a su conducción eléctrica superará a la contribución del material a granel, afirman.
Además, los nanocables demostraron ser estables en el aire y pudieron transportar de forma segura una gran cantidad de corriente eléctrica antes de romperse.
Vía IEEE Spectrum.
