En el mundo de la electrónica, cuanto más fino mejor, pero a medida que los cables se encogen hasta una fracción minúscula del ancho de un cabello humano, los materiales tradicionales como el cobre flaquean y luchan por conducir la electricidad de manera eficiente. Ahora, los científicos de la Universidad de Stanford han revelado un campeón inesperado: el fosfuro de niobio, un semimetal topológico que desafía las probabilidades. Descubrieron que este material puede conducir la electricidad de manera más eficiente que el cobre cuando se reduce a películas ultradelgadas, algo que podría tener un gran impacto en la nanoelectrónica.
Un nuevo campeón en conductores delgados
“A medida que los dispositivos electrónicos y chips actuales se vuelven más pequeños y complejos, los cables metálicos ultradelgados que transportan señales eléctricas dentro de estos chips pueden convertirse en un cuello de botella cuando se reducen”, dijo el Dr. Asir Intisar Khan, investigador postdoctoral visitante en Stanford y autor principal del estudio.
Los metales convencionales como el cobre pierden conductividad drásticamente cuando se reducen a espesores inferiores a 50 nanómetros, lo que los vuelve ineficientes para los circuitos densos de los chips modernos.
Pero el fosfuro de niobio es el que marca el comienzo de esta tendencia. Como semimetal topológico, sus superficies externas son inherentemente más conductoras que su interior. “Nuestros conductores de fosfuro de niobio demuestran que es posible enviar señales más rápidas y eficientes a través de cables ultradelgados”, explicó Khan. Sorprendentemente, la resistividad del material disminuye a medida que se reduce su espesor. Por lo tanto, supera al cobre en películas más delgadas que 5 nanómetros, incluso a temperatura ambiente.
Esta capacidad de mantener la conductividad a tales escalas podría tener profundas implicaciones para la eficiencia energética de los centros de datos, que dependen de millones de chips para almacenar y procesar información. “Incluso las pequeñas ganancias se acumulan cuando se utilizan muchos chips”, señaló Khan.
De la física a la aplicación
Este descubrimiento no fue fácil. El fosfuro de niobio se ha estudiado en masa durante años. Pero fabricarlo como una película no cristalina lo suficientemente delgada para la nanoelectrónica planteó desafíos únicos. El equipo de Stanford tuvo que optimizar todo, desde la elección del sustrato hasta la temperatura de deposición, que mantuvieron a 400°C para garantizar la compatibilidad con la fabricación de chips basada en silicio existente.
“Si tienes que hacer cables cristalinos perfectos, eso no va a funcionar para la nanoelectrónica”, dijo el profesor Yuri Suzuki, coautor del estudio. “Pero si puedes hacerlos amorfos o ligeramente desordenados y aún así te dan las propiedades que necesitas, eso abre la puerta a posibles aplicaciones en el mundo real”.
Fundamentalmente, las películas de fosfuro de niobio no solo son más delgadas. También requieren temperaturas más bajas para fabricarse que los materiales cristalinos tradicionales, que a menudo requieren calor extremo. Por lo tanto, son más fáciles de integrar en diseños de chips de última generación.
Próximos pasos
Los investigadores ahora están explorando formas de convertir sus películas delgadas en cables y probando su confiabilidad en condiciones del mundo real. También están investigando otros semimetales topológicos para encontrar materiales con una conductividad aún mejor.
“Para que esta clase de materiales se adopten en la electrónica del futuro, necesitamos que sean aún mejores conductores”, dijo Xiangjin Wu, estudiante de doctorado en Stanford y coautor del estudio. Los primeros resultados sugieren que el fosfuro de niobio es solo la punta del iceberg.
“Hemos tomado algunos conceptos de física realmente interesantes y los hemos trasladado al mundo de la electrónica aplicada. Este tipo de avance en materiales no cristalinos podría ayudar a abordar los desafíos de potencia y energía tanto en la electrónica actual como en la futura”, agregó Eric Pop, autor principal del estudio.
A medida que los dispositivos demandan más potencia en paquetes más pequeños, el descubrimiento de estos conductores no convencionales podría marcar el comienzo de una nueva era de electrónica de alta eficiencia: un cable ultrafino a la vez.
Los resultados aparecieron en la revista Science.
Fuente: ZME Science.
