Los transistores, considerados los componentes fundamentales de la electrónica moderna, han sido tradicionalmente fabricados con silicio, un material semiconductor que controla el flujo de electricidad en un circuito. Sin embargo, el silicio presenta limitaciones físicas que restringen su compacidad y eficiencia energética.
Investigadores del MIT han desarrollado un transistor magnético al reemplazar el silicio por un semiconductor magnético. Este avance promete circuitos más pequeños, rápidos y eficientes energéticamente. La magnetización del nuevo material influye significativamente en su comportamiento electrónico, lo que permite un control más eficaz del flujo eléctrico.
El equipo utilizó un material magnético innovador junto con un proceso de optimización que reduce los defectos en el material, mejorando así el rendimiento del transistor. Las propiedades magnéticas únicas de este nuevo dispositivo permiten la inclusión de memoria integrada en los transistores, simplificando el diseño de circuitos y abriendo la puerta a nuevas aplicaciones en la electrónica de alto rendimiento.
Nuevas posibilidades gracias a la magnetización
Según Chung-Tao Chou, estudiante de posgrado en las áreas de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación y Física del MIT, “las personas conocen los imanes desde hace miles de años, pero hay formas muy limitadas de incorporar el magnetismo en la electrónica. Hemos demostrado una nueva manera de utilizar el magnetismo que abre muchas posibilidades para futuras aplicaciones e investigaciones”.
Chou comparte autoría con Eugene Park, otro estudiante graduado; Julian Klein, científico investigador; Josep Ingla-Aynes, postdoctorado; Jagadeesh S. Moodera, científico senior; y otros académicos destacados del MIT y la Universidad de Química y Tecnología de Praga. Su trabajo ha sido publicado recientemente en Physical Review Letters.
Superando límites físicos
En dispositivos electrónicos, los transistores semiconductores actúan como interruptores diminutos que activan o desactivan circuitos y amplifican señales débiles mediante un voltaje mínimo. Sin embargo, existe un límite físico fundamental que impide a estos transistores funcionar por debajo de cierto voltaje, afectando su eficiencia energética.
A lo largo de décadas, investigadores han buscado desarrollar transistores magnéticos que utilicen el giro electrónico para controlar el flujo eléctrico. Este giro es una propiedad fundamental que permite a los electrones comportarse como pequeños imanes.
Material innovador para mejores resultados
Los científicos se han visto limitados al uso de ciertos materiales magnéticos que carecen de las propiedades electrónicas favorables necesarias para un buen desempeño del dispositivo. En este contexto, Liu destaca: “En este trabajo combinamos el magnetismo con la física del semiconductor para realizar dispositivos espintrónicos útiles”.
El equipo sustituyó el silicio en la capa superficial del transistor por bromuro de cromo y azufre, un material bidimensional que actúa como semiconductor magnético. Gracias a su estructura, los investigadores pueden alternar entre dos estados magnéticos con gran precisión, lo cual es ideal para transistores que cambian suavemente entre “encendido” y “apagado”.
Estrategias efectivas para evitar contaminaciones
La investigación también aborda uno de los mayores desafíos: encontrar el material adecuado. Chou menciona: “Probamos muchos otros materiales que no funcionaron”. Al modificar estos estados magnéticos se alteran las propiedades electrónicas del material, permitiendo operaciones con bajo consumo energético.
Eficiencia energética sin precedentes
A diferencia de muchos otros materiales bidimensionales, el bromuro de cromo y azufre mantiene su estabilidad al estar expuesto al aire. Para fabricar un transistor, los investigadores aplican electrodos sobre un sustrato de silicio y luego alinean cuidadosamente el material bidimensional encima. Utilizan cinta adhesiva para transferir una pequeña pieza del material, garantizando una superficie limpia necesaria para la función óptima del transistor.
"Muchos investigadores utilizan solventes o pegamento para hacer la transferencia", explica Chou. "Pero los transistores requieren una superficie muy limpia". Esta estrategia minimiza riesgos durante el proceso.
Esta falta de contaminación permite al nuevo dispositivo superar a otros transistores magnéticos existentes, que solo logran generar efectos magnéticos débiles. El nuevo transistor puede cambiar o amplificar la corriente eléctrica hasta diez veces más eficientemente.
Perspectivas futuras en electrónica avanzada
A través del uso de campos magnéticos externos, los investigadores modifican el estado magnético del material utilizando considerablemente menos energía. Además, pueden controlar estos estados magnéticos mediante corriente eléctrica, lo cual es crucial ya que no se pueden aplicar campos magnéticos individualmente a cada transistor dentro de un dispositivo electrónico.
Liu concluye: "Ahora no solo encendemos y apagamos transistores; también recordamos información". Este enfoque no solo fortalece las señales eléctricas sino que también acelera y mejora la fiabilidad en la lectura de datos.
A partir de esta demostración inicial, los investigadores planean seguir explorando cómo utilizar corriente eléctrica para controlar sus dispositivos y trabajar hacia métodos escalables para fabricar matrices completas de transistores.
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