Una búsqueda apremiante en el campo de la nanoelectrónica es la búsqueda de un material que pueda reemplazar al silicio. El grafeno ha parecido prometedor durante décadas. Pero su potencial flaqueó en el camino, debido a los métodos de procesamiento dañinos y la falta de un nuevo paradigma electrónico para adoptarlo. Con el silicio casi al máximo en su capacidad para adaptarse a una computación más rápida, la próxima gran plataforma de nanoelectrónica se necesita ahora más que nunca.

Walter de Heer, profesor de Regentes en la Escuela de Física del Instituto de Tecnología de Georgia, ha dado un paso fundamental al presentar el caso de un sucesor del silicio. De Heer y sus colaboradores desarrollaron una nueva plataforma de nanoelectrónica basada en grafeno, una hoja única de átomos de carbono. La tecnología es compatible con la fabricación de microelectrónica convencional, una necesidad para cualquier alternativa viable al silicio. En el curso de su investigación, publicada en Nature Communications, es posible que el equipo también haya descubierto una nueva cuasipartícula. Su descubrimiento podría conducir a la fabricación de chips de computadora más pequeños, más rápidos, más eficientes y más sostenibles, y tiene implicaciones potenciales para la computación cuántica y de alto rendimiento.

« El poder del grafeno radica en su estructura bidimensional plana que se mantiene unida por los enlaces químicos más fuertes conocidos », dijo de Heer. « Estaba claro desde el principio que el grafeno se puede miniaturizar mucho más que el silicio, lo que permite dispositivos mucho más pequeños, mientras opera a velocidades más altas y produce mucho menos calor. Esto significa que, en principio, se pueden empaquetar más dispositivos ». un solo chip de grafeno que con silicio ».

En 2001, de Heer propuso una forma alternativa de electrónica basada en grafeno epitaxial o epigrafeno, una capa de grafeno que se formó espontáneamente sobre el cristal de carburo de silicio, un semiconductor utilizado en electrónica de alta potencia. En ese momento, los investigadores descubrieron que las corrientes eléctricas fluyen sin resistencia a lo largo de los bordes del epigrafeno y que los dispositivos de grafeno se pueden interconectar sin problemas sin cables metálicos. Esta combinación permite una forma de electrónica que se basa en las propiedades únicas similares a la luz de los electrones de grafeno.

« Se ha observado interferencia cuántica en nanotubos de carbono a bajas temperaturas, y esperamos ver efectos similares en cintas y redes de epigrafeno », dijo de Heer. « Esta característica importante del grafeno no es posible con el silicio ».

Construyendo la plataforma

Para crear la nueva plataforma de nanoelectrónica, los investigadores crearon una forma modificada de epigrafeno sobre un sustrato de cristal de carburo de silicio. En colaboración con investigadores del Centro Internacional de Nanopartículas y Nanosistemas de Tianjin en la Universidad de Tianjin, China, produjeron chips de carburo de silicio únicos a partir de cristales de carburo de silicio de grado electrónico. El grafeno en sí se cultivó en el laboratorio de de Heer en Georgia Tech utilizando hornos patentados.

Los investigadores utilizaron litografía por haz de electrones, un método comúnmente utilizado en microelectrónica, para tallar las nanoestructuras de grafeno y soldar sus bordes a los chips de carburo de silicio. Este proceso estabiliza y sella mecánicamente los bordes del grafeno, que de otro modo reaccionarían con el oxígeno y otros gases que podrían interferir con el movimiento de las cargas a lo largo del borde.

Finalmente, para medir las propiedades electrónicas de su plataforma de grafeno, el equipo utilizó un aparato criogénico que les permite registrar sus propiedades desde una temperatura cercana a cero hasta la temperatura ambiente.

Observando el estado del borde

Las cargas eléctricas que observó el equipo en el estado del borde del grafeno eran similares a los fotones en una fibra óptica que puede viajar grandes distancias sin dispersarse. Descubrieron que las cargas viajaron decenas de miles de nanómetros a lo largo del borde antes de dispersarse. Los electrones de grafeno en tecnologías anteriores solo podían viajar unos 10 nanómetros antes de chocar con pequeñas imperfecciones y dispersarse en diferentes direcciones.

« Lo especial de las cargas eléctricas en los bordes es que se quedan en el borde y continúan a la misma velocidad, incluso si los bordes no están perfectamente rectos », dijo Claire Berger, profesora de física en Georgia Tech y directora de investigación en el Centro Nacional Francés de Investigación Científica en Grenoble, Francia.

En los metales, las corrientes eléctricas son transportadas por electrones cargados negativamente. Pero contrariamente a las expectativas de los investigadores, sus mediciones sugirieron que las corrientes de borde no eran transportadas por electrones o por huecos (un término para las cuasipartículas positivas que indican la ausencia de un electrón). Más bien, las corrientes fueron transportadas por una cuasipartícula muy inusual que no tiene carga ni energía y, sin embargo, se mueve sin resistencia. Se observó que los componentes de la cuasipartícula híbrida viajaban en lados opuestos de los bordes del grafeno, a pesar de ser un solo objeto.

Las propiedades únicas indican que la cuasipartícula podría ser una que los físicos han estado esperando explotar durante décadas: el escurridizo fermión de Majorana predicho por el físico teórico italiano Ettore Majorana en 1937.

« El desarrollo de productos electrónicos utilizando esta nueva cuasipartícula en redes de grafeno perfectamente interconectadas es un cambio de juego », dijo de Heer.

Probablemente pasarán otros cinco a 10 años antes de que tengamos la primera electrónica basada en grafeno, según de Heer. Pero gracias a la nueva plataforma de grafeno epitaxial del equipo, la tecnología está más cerca que nunca de coronar al grafeno como sucesor del silicio.