Reinventar el transistor

Todos los viernes por la tarde en Hewlett-Packard Labs en Palo Alto, CA, R. Stanley Williams, uno de los pensadores más respetados en el campo de la electrónica molecular, reúne a su grupo de 25 científicos investigadores para hablar de negocios. Uno por uno, se dirigen a la sala de conferencias. Williams entra exactamente a tiempo, se sienta al frente y se inclina hacia atrás, con el ceño fruncido y las manos juntas. Fue contratado por HP en 1995 para repensar los conceptos básicos de la informática y ha elegido al equipo dentro de esta sala para hacer precisamente eso. A Williams le gusta usar jeans y su cabello le llega hasta la mitad de la espalda, por lo que da una primera y fugaz impresión de tranquilidad e informalidad. Pero aparentemente nunca sonríe y su gente trabaja 19 horas al día para cumplir con sus plazos. Williams espera unos minutos a los habituales que llegan tarde y luego se pone de pie. Habla en un tono eficiente y monótono.

Hoy vamos a escuchar primero de Gun-Young, dice. Lo que ha logrado es magnífico. Todos aquí le deben un almuerzo porque su arduo trabajo ha pagado nuestros salarios durante los últimos meses.

Esta historia fue parte de nuestro número de septiembre de 2003

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Gun-Young Jung, un postdoctorado reciente de Corea del Sur, se pone de pie y describe tranquilamente su trabajo en la litografía de nanoimpresión, un proceso que utiliza un molde físico para crear características tan pequeñas como seis nanómetros de diámetro en obleas de silicio. Eso es más de un orden de magnitud más pequeño que las características más finas que se pueden lograr utilizando los procesos fotolitográficos avanzados de la actualidad. Sin embargo, a veces las cosas se quedan pegadas al molde. Es como la masa de un pastel pegada a una sartén, dice. Su presentación dura unos diez minutos y es seguida por otras dos.

Escuchar a estos oradores, uno tras otro, transmite gradualmente un sentido del estilo del grupo. Disfrutan del humor autocrítico e inyectan frecuentes expresiones de desconcierto en sus explicaciones científicas, como si no lo supiera y todavía es un misterio y todavía necesito investigar, e incluso yo todavía soy bastante novato. Y a pesar de su obvia experiencia, esto no es falsa modestia.

El grupo de Williams se enfrenta a una tarea monumental: intentar fabricar ordenadores cuya funcionalidad se base en el funcionamiento de las moléculas. Hacerlo significará reinventar el transistor. Si bien el silicio y otros semiconductores inorgánicos siempre han sido los componentes básicos de los microchips, resulta que las moléculas orgánicas también pueden tener algunas propiedades eléctricas potencialmente útiles. De hecho, en los últimos años, los investigadores han aprendido a sintetizar moléculas que pueden funcionar como interruptores electrónicos, manteniendo unos o ceros binarios en la memoria o participando en operaciones lógicas. Y las moléculas tienen una ventaja significativa: son realmente pequeñas.

Este trabajo es fundamental para el futuro de la informática, porque la tecnología de fabricación de chips convencional está en un curso de colisión con la economía. Los mejores chips de computadora de la actualidad tienen características de silicio tan pequeñas como 90 nanómetros. Pero cuanto más pequeñas son las características, más caro es el equipo óptico necesario para fabricarlas. La construcción de una planta de fabricación de vanguardia para microchips de silicio cuesta ahora unos $ 3 mil millones. Un chip en el que los transistores de silicio se reemplazan por dispositivos moleculares, por otro lado, podría en principio fabricarse mediante un proceso químico simple tan económico como hacer una película fotográfica. Un circuito con 10 mil millones de interruptores eventualmente podría caber en un grano de sal; eso es mil veces la densidad de los transistores en las mejores computadoras de hoy. Una computadora construida a partir de tales circuitos podría buscar miles de millones de documentos o miles de horas de video en segundos, realizar simulaciones y predicciones altamente precisas del clima y otros fenómenos físicos, y hacer un trabajo mucho mejor imitando la inteligencia humana, quizás incluso comunicándose con nosotros a través de conversación natural.

Pero no importa cuán tentador sea en teoría, es una investigación especulativa, de cielo azul, e invertir en electrónica molecular es una apuesta que pocas empresas han estado dispuestas a hacer. La confianza de HP en Williams es una gran razón por la que es una de las excepciones, dice Shane Robison, vicepresidente ejecutivo y director de estrategia y tecnología de la compañía. Además de su capacidad para formar un equipo de primera clase de expertos interdisciplinarios y su énfasis en cómo convertir la ciencia y la tecnología en productos reales, la mejor cualidad de Stan es probablemente su eterno optimismo, dice Robison. Por supuesto, también existe el atractivo de obtener inmensos beneficios, en caso de que la tecnología de Williams sustituya a los chips de silicio convencionales. Proyectos tan ambiciosos son siempre una posibilidad remota, pero no lo estaríamos haciendo si no creyéramos que hay una buena posibilidad de éxito, dice Robison.

Sin duda, la compañía ha cubierto su apuesta siendo cautelosa con la financiación. El grupo de Williams tiene una subvención de $ 12.5 millones por cuatro años de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa de los Estados Unidos (DARPA), y HP proporciona fondos de contrapartida, pero aproximadamente la mitad de los fondos de DARPA se destinan a socios de investigación universitarios. Los signos de economizar están por todas partes en el laboratorio, desde la escasez de suministros en la sala de café hasta el equipo manipulado por el jurado. No obstante, el grupo ha logrado un gran avance tras otro, sobre todo, al demostrar que un diseño de barra transversal que alguna vez fue común en la electrónica convencional puede resucitar a escala molecular. En una demostración el año pasado, el grupo atrapó moléculas en las uniones entre los nanocables de titanio y platino dispuestos en una cuadrícula de ocho por ocho y un micrómetro cuadrado, y demostró que las moléculas se pueden encender y apagar en uniones específicas. primer paso en la construcción de una memoria de trabajo o un dispositivo lógico.

Trabajando a ciegas

Pase algún tiempo en el laboratorio de Williams y comenzará a comprender por qué gran parte de la electrónica molecular sigue siendo un misterio, comenzando con la pregunta relativamente simple de qué están construyendo exactamente los investigadores. Yong Chen, originario de China y miembro del grupo de Williams desde 1998, pasa gran parte de su tiempo sentado en una habitación de nueve metros cuadrados, sin ventanas, tapada y acolchada con espuma espesa. Es el hogar de un delicado microscopio electrónico, que usa haces de electrones para crear una imagen aproximada de las estructuras que Chen crea en el laboratorio al final del pasillo.

Chen es el líder del equipo que le ha dado al grupo su mayor éxito público hasta la fecha, la memoria de barra transversal de 64 bits. Su equipo primero imprimió ocho nanocables paralelos hechos de titanio y platino sobre un sustrato de silicio, y cubrió estos cables con una capa de una molécula de espesor de un químico sintético llamado rotaxano. Luego depositaron un segundo conjunto de cables de titanio perpendiculares al primero, creando la posibilidad de una conexión eléctrica entre los cables en cualquier unión de la red.

Cada molécula de rotaxano, que fue inventada por el químico Fraser Stoddart de la Universidad de California en Los Ángeles, consta de un eje largo con dos grupos de átomos en cada extremo y un anillo de átomos que rodean el eje. Los grupos de Stoddart y Williams teorizan que cuando se aplica un voltaje a través de un par específico de nanocables que se cruzan, los anillos de las moléculas de rotaxano entre los cables saltan de un extremo del eje al otro y permanecen allí hasta que se aplica otro voltaje. Esto podría aumentar o disminuir la resistencia de las moléculas a la corriente eléctrica, y estos dos estados de conductividad representarían unos o ceros digitales. Ahora Chen, ansioso por ver qué tan pequeño puede hacer un dispositivo de este tipo, está tratando de imprimir los cables individuales aún más juntos. Es una labor laboriosa, en la que nunca se sabe si está progresando hasta el momento en que funciona.

Hoy Chen está con la boca abierta, absorto, concentrando absoluta atención en el monitor que tiene frente a él, al mismo tiempo que trata de mantener una conversación. No es del todo exitoso. Pasan varios minutos en silencio mientras una pregunta flota en el aire, sin respuesta. Aumenta el aumento del microscopio mientras busca a través de una serie de imágenes borrosas de gris sobre gris que parecen fotografías de satélite de un desierto.

Después de terminar el proceso de fabricación, venimos aquí para comprobar qué tipo de cosas tenemos, dice. Quiero ver si el cable está conectado a tierra al sustrato o suspendido sobre él. Hay uno. Ups, lo perdí.

Finalmente, encuentra algo que parece una barra de refuerzo sobre una pila de polvo de carbón, pero en realidad es un cable de 35 nanómetros de ancho que descansa sobre la base de silicio. Toma una foto, de nuevo en silencio, conteniendo la respiración ya que las ondas sonoras afectarán la calidad de la imagen.

Podemos hablar ahora, dice. Aquí, de hecho, puede ver que este cable está roto. Demasiado. Este es un experimento de rutina, francamente. El objetivo de Chen es encontrar una combinación de materiales (una receta, por así decirlo) que imparta una no pegajosidad similar al teflón al molde que deposita los alambres en el sustrato; de lo contrario, se abultan y se retuercen cuando se quita el molde. Pero sentado en esta habitación silenciosa y cubierta de espuma, viendo a uno de los principales científicos en el campo buscar a través de imágenes granulosas, se da cuenta de lo difícil que es trabajar a esta escala. Tres semanas más tarde, después de cinco meses de meticulosos experimentos y observaciones, Chen y Gun-Young Jung encuentran el resultado que estaban buscando, acercando un pequeño paso la posibilidad de circuitos de tamaño molecular.

Calculé mal varias cosas, dice simplemente Chen.

Ahora puede pasar al siguiente problema.

Cambio de lugar

La observación de los resultados, por supuesto, es el último paso en una serie de eventos que tradicionalmente comienza con una teoría sobre cómo deberían comportarse las cosas. Sin embargo, en el caso de la electrónica molecular, muy poco ha recorrido un curso directo de la teoría al experimento y al resultado. Las teorías pueden languidecer durante años esperando herramientas lo suficientemente precisas para probarlas. De hecho, los químicos propusieron por primera vez la idea de la electrónica molecular a mediados de la década de 1970, pero pasarían otros 20 años antes de que alguien pudiera comenzar a ponerla en práctica. Últimamente, sin embargo, los resultados experimentales han comenzado a superar la capacidad de los teóricos para explicarlos.

Un enigma es la falta de coherencia en la medición de los resultados experimentales, de un laboratorio a otro e incluso de un experimento a otro. Alex Bratkovsky, físico teórico y nativo de Moscú que se unió a HP en 1996, dice que fue uno de los primeros en darse cuenta de que la orientación de una molécula entre electrodos metálicos es fundamental para comprender sus propiedades de conmutación. La corriente depende enormemente de cómo se conecta la molécula con el sustrato, dice Bratkovsky. La señal puede desaparecer y luego volver, según la posición de la molécula. Desestimamos ese hecho durante bastante tiempo. Dado que el control de la orientación de la molécula está aún más allá de las herramientas experimentales actuales, los resultados varían ampliamente de un laboratorio a otro, y los científicos deben juzgar en muchos casos si las diferencias entre sus resultados tienen un significado real o pueden explicarse por efectos que aún están fuera del control experimental.

Para comprender el fenómeno de la conmutación, los investigadores de HP están estudiando una gama de nuevas moléculas que podrían controlarse más fácilmente que el rotaxano, dice Bratkovsky. Algunos de ellos ya se están diseñando, pero el progreso es lento. Puede llevar más de dos años diseñar, simular, sintetizar y finalmente probar una molécula para determinar sus propiedades electrónicas, después de lo cual los investigadores pueden comenzar de nuevo.

Al otro lado del pasillo de Bratkovsky, Duncan Stewart, un físico experimental contratado recientemente por el laboratorio de Williams, pasó más de seis meses en un experimento contrario para ayudar a investigar por qué algunas moléculas pueden actuar como interruptores moleculares, cambiando su conductividad en respuesta a un voltaje aplicado. En lugar de moléculas de diseño como el rotaxano, Stewart utilizó una molécula de hidrocarburo simple que consta de una cadena de 18 carbonos rodeada por átomos de hidrógeno. Stewart lo llama la Plain Jane del mundo molecular. Es estable, inerte y, en teoría, no debería tener propiedades electrónicas interesantes. Pero cambió de todos modos.

Tengo un montón de datos, y la historia es que los datos no se ajustan a ningún modelo ni a ninguna teoría existente. Entonces, incluso en el caso más simple, no entendemos cómo viajan los electrones a través de una molécula, dice. A veces es extremadamente frustrante. Tienes que ser muy testarudo, golpearte la cabeza contra una pared durante seis meses y, finalmente, un solo ladrillo se quiebra y, finalmente, toda la pared se derrumba y ves otra pared.

El polvo en la máquina

Si los materiales estudiados por estos investigadores parecen desconcertantes e impredecibles, la maquinaria que utilizan lo es aún más. El progreso en la electrónica molecular está a menudo a merced de fallas impredecibles en el equipo experimental. Después de todo, esto es ciencia de laboratorio y no ingeniería.

Tan Ha, nativo de Vietnam, está a cargo del equipo utilizado en la sala limpia del laboratorio. Dos o tres veces al día se pone un traje de sala limpia y entra en la sala para probar, ajustar y modificar el equipo para lo que en muchos casos son experimentos únicos. Nos vestimos. Ahora estamos listos para la guerra química, dice. La máscara que cubre su rostro hace que sea difícil juzgar si está bromeando.

Una vez dentro, nos dirigimos directamente a una máquina llamada reactor de deposición de vapor químico. Parece un gran cilindro de acero de lado, revestido de vidrio. Tengo una relación especial con esta máquina, dice, y toca el cristal con la mano enguantada.

Este tipo de reactor es estándar en las instalaciones de fabricación de semiconductores, pero Ha ha modificado la máquina para realizar los experimentos ultraprecisos requeridos por Ted Kamins, miembro del grupo de Williams desde 1995. Kamins ha trabajado durante años en el último sueño de la nanoinvestigación: hacer los dispositivos crecen en las estructuras deseadas en lugar de construirlas pieza por pieza. Su objetivo es desarrollar los nanocables que requiere la electrónica molecular, como alternativa al uso de la litografía de nanoimpresión. Hasta ahora, Kamins ha sintetizado cables de hasta 10 nanómetros de diámetro al exponer nanopartículas de diversos materiales a una mezcla de gases en el reactor de deposición. En la reacción que sigue, largas cadenas de silicio crecen alrededor de las partículas, produciendo lo que bajo el microscopio electrónico parece un bosque de agujas.

Hacer crecer los cables necesarios para la electrónica molecular es algo emocionante, pero los experimentos particulares de Kamins casi no sucedieron. Ha me cuenta que pasó más de un año de su vida tratando de hacer funcionar la máquina. Cada vez que realizamos un experimento, la contaminación destruiría el proceso, dice. No era que la máquina estuviera averiada; es solo que nadie había necesitado nunca hacer los experimentos que Kamins quería hacer. Tiene que ser una agenda espiritual para mí, dice Ha. Ted estaba frustrado. Yo también. Estaría aquí de rodillas todo el día, modificando las cosas tornillo a tornillo. Me iba a la cama por la noche, cerraba los ojos y veía el diagrama de plomería en mis párpados. Resultó ser un problema en el sistema de escape. Fui a casa y le dije a mi esposa: Eso es todo; Soy un ingeniero de equipos probado. ”Así de feliz estaba.

Elegir un ganador

Para gran decepción de Duncan Stewart, Williams le pidió que publicara sus resultados con la molécula de hidrocarburo después de seis meses y se concentrara en otros trabajos. Sin embargo, Williams alentó a Ha a seguir trabajando de rodillas y soñando con diagramas de plomería durante un año, para experimentos que Williams estima que están al menos en seis años para su realización y es posible que nunca arrojen un resultado práctico. En un mar de teorías y posibilidades en competencia, y con las presiones presupuestarias de las que se queja con cierta regularidad, ¿cómo decide?

Es una cuestión de experiencia, dice Williams. He estado en muchos callejones sin salida muchas veces en mi carrera. Son tan tentadores. Puedes meterte en estas cosas y pensar, está bien, solo un paso más, solo un paso más. Otras cosas parecen estar en la dirección correcta y puedo ver hacia dónde vamos. En otras palabras, ha aprendido a confiar en su intuición, porque es todo lo que tiene. He pasado por el ciclo muchas veces.

El compromiso más largo de Williams con cualquier idea en electrónica molecular es la arquitectura de barra transversal. Pero admite que incluso esta idea podría ser un callejón sin salida. ¿Será posible alguna vez, por ejemplo, atrapar limpiamente moléculas en la unión de dos cables con total confianza en su orientación? Luego está el problema práctico de la ganancia, o convertir una entrada eléctrica débil en una salida fuerte; esta es una capacidad crítica necesaria tanto para realizar operaciones lógicas como para amplificar las pequeñas corrientes que cruzan los interruptores moleculares para que los sistemas de silicio convencionales puedan detectarlos. Y es un problema sin solución demostrada.

Stan es un tipo inteligente, Dios lo bendiga, y si alguien puede resolver estas cosas, será su equipo, dice James Tour, un químico de la Universidad de Rice que está trabajando en un enfoque competitivo de la computación molecular. Pero tiene un problema difícil. En cada punto de cruce, las moléculas deben ser estables. Entonces necesitan interactuar con todos los cables que salen. Eso tiene un costo enorme. Tienen una colina empinada que escalar.

Ciertamente es posible que estemos equivocados, admite Williams. Luego niega con la cabeza y deja de ser humilde por un breve momento.

No lo creo, dice. Creo que hemos elegido al ganador, algo que permitirá que esto que llamamos Ley de Moore continúe durante otros 50 años. Solía ​​pensar que era imposible. Ahora creo que es inevitable.

Alternativas al silicio
Tecnología	elementos informáticos	Instituciones líderes
Computación de ADN	Hebras de ADN y ARN en solución	Universidad del Sur California, Weizmann Instituto de ciencia
Dispositivos electrónicos moleculares	Moléculas como rotaxano	Universidad Hewlett-Packard, Yale
Nanoceldas	Nanopartículas de oro depositadas en matrices aleatorias	Universidad de Rice
Componentes electrónicos de nanotubos	Nanotubos de carbono que actúan como transistores, memoria y cables.	IBM, Universidad de Harvard, NASA Centro de investigación Ames
Computación cuántica	Propiedades cuánticas de electrones y moléculas.	MIT, IBM, Hewlett-Packard, Nacional Instituto de Estándares y Tecnología

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