Pequeño interruptor cambia la posición de un solo átomo - principal


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Un solo átomo sostenido entre dos agudas puntas fue utilizado para crear el dispositivo de memoria más pequeño de la historia, de acuerdo con el equipo internacional de investigadores que lo han desarrollado

El átomo de aluminio funciona como un interruptor de dos terminales que se puede conmutar de ida y vuelta entre dos estados lógicos. Esto se hace haciendo pasar corrientes eléctricas a través del átomo, lo que se traduce en pequeños cambios en su posición. El dispositivo podría algún día ser usado para crear memorias de computadora con muy alta densidad.

Generalmente, los interruptores electrónicos convencionales son hechos de transistores, que tienen tres electrodos. La corriente que fluye entre dos de los electrodos se controla mediante la aplicación de un voltaje al tercer electrodo. Ya se han hecho transistores de tamaño nanométrico sobre la base de un átomo. Sin embargo, el equipo dice que su dispositivo es el primer ejemplo de un solo átomo que actúa como un conmutador sin el uso de un electrodo de compuerta, cuya existencia hizo que los dispositivos anteriores fuesen mucho más grandes que un átomo.

El dispositivo fue realizado por investigadores de la Universidad de Konstanz en Alemania y de la Universidad Autónoma de Madrid en España. Para hacer el interruptor, el equipo comenzó con un hilo de aluminio sólo 1µm ubicado sobre un sustrato flexible. Al doblar suavemente el sustrato, se empieza a formar una ruptura en el cable. La flexión se detiene cuando las dos secciones se mantienen unidas por un único átomo en su parte más estrecha (véase la figura).

Distintas geometrías

El interruptor es operado por el envío de una corriente a través del contacto de un solo átomo. Cuando la corriente se envía en una dirección el interruptor está abierto y cuando la corriente se envía en la dirección opuesta el interruptor está cerrado. Las posiciones de los interruptores abiertos y cerrados corresponden a que el átomo está en dos lugares diferentes. Estas dos geometrías diferentes tienen dos valores de conductancia eléctrica distintos, que el equipo midió. Los valores pueden ser considerados como “0” y “1”, haciendo al dispositivo capaz de almacenar información.

“Nuestros contactos atómicos funcionan como interruptores y memorias no volátiles al mismo tiempo”, dice uno de los investigadores, Juan Carlos Cuevas de la Universidad Autónoma de Madrid. “Idealmente, estas memorias podrían utilizarse para reemplazar las memorias magnéticas estándar de nuestros ordenadores.”

La observación de que el cambio de sentido de la corriente abría y cerraba el contacto “primero fue una sorpresa”, dijo el miembro del equipo de Elke Scheer , de la Universidad de Konstanz.

Interferencia cuántica

El gran desafío para el equipo era demostrar que el interruptor involucraba un solo átomo. Para ello, los científicos enfríaron el interruptor hasta que el aluminio se convirtió en un superconductor. La mecánica cuántica regula la corriente que fluye a través del alambre de tamaño atómica y las características de corriente-tensión en el estado superconductor son sensibles a las probabilidades de transporte de la mecánica cuántica, que son determinadas por las posiciones atómicas. Dado que los contactos atómicos son tan pequeños, los electrones de conducción se comportan como ondas en lugar de como partículas clásicas, y la corriente es completamente determinado por los efectos de interferencia mecanocuántica.

“Lo asombroso de nuestra historia es que podemos determinar cuántas funciones de onda lleva la corriente en nuestros interruptores y las probabilidad de estas ondas de ir a través de los contactos, lo cual es algo único de nuestro trabajo”, dice Cuevas.

“Este es un resultado experimental muy elegante”, dice el físico Douglas Natelson la Universidad de Rice en Texas, que no participó en la investigación. “Es una gran combinación de técnicas que facilitan información microscópica detallada que a menudo es difícil de obtener, como los coeficientes de transmisión de los canales cuánticos. Esa información es vital para establecer el notable hecho de que es posible —al menos en ciertas circunstancias— utilizar corriente para pasar de forma controlada entre dos arreglos atómicos particulares en la escala de un solo átomo.”

Eslabón perdido

El físico Jan van Ruitenbeek de la Universidad de Leiden en los Países Bajos, que tampoco participó en el estudio, dice que hasta ahora, el mecanismo del efecto de la corriente en la escala atómica no ha sido comprendido: “Faltan, simplemente, experimentos que puedan sondear [estos] efectos y estos resultados nos dan una primera idea de lo que puede estar ocurriendo”.

Por el momento, los interruptores sólo pueden funcionar a temperaturas criogénicas por debajo de 1 kelvin y en condiciones de laboratorio de sala limpia, donde es posible limitar el movimiento atómico congelando la difusión de los átomos de metal, y por lo tanto estabilizando los interruptores por largos períodos de tiempo. Para futuras aplicaciones potenciales, el equipo dice que tendrá que demostrar que los dispositivos también pueden funcionar a temperatura ambiente, lo que podría ser un reto porque los átomos de metal tienden a difundirse en las superficies. “Además, tendríamos que ampliar el dispositivo para tener millones de esos interruptores que trabajen juntos en una memoria macroscópica”, dice Cuevas. Pero, añade, “hay estrategias para resolver ambos problemas, y creemos que las aplicaciones serán posibles en un futuro próximo, en 10 años más o menos.”

La investigación se describe en Nature Nanotechnology 8 645.

Fuente: Physics World. Aportado por Eduardo J. Carletti

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