El transistor FET topológico gracias al «grafeno 3D»

El bismuturo de trisodio es conocido como el «grafeno 3D». Un transistor de efecto campo topológico (TFET) se basa en la transición de fase cuántica de un aislante convencional a un aislante topológico inducida por un campo eléctrico. Se publica en Nature un prototipo basado en el bismuturo de trisodio haciendo realidad la propuesta en Science de 2014. Los TFET prometen una futura lógica de baja energía que podría revolucionar la nanoelectrónica.

En un TFET (Topological FET, no confundir con Tunnel FET) el estado de conducción (on) es debido al flujo balístico de carga y espín sin pérdidas en los bordes de un aislante Hall cuántico de espín; y el estado de corte (off) es debido a la transición de aislante exótico (con bordes conductivos) a aislante convencional (sin bordes conductivos) tras la aplicación de un campo eléctrico. Fabricar un TFET requiere un semimetal de Dirac topológico con un salto de banda mayor que el alcanzable por la temperatura ambiente (25 meV). El bismuturo de trisodio (Na3Bi) tiene un salto de banda de 300 meV como aislante topológico, bajando a 90 meV como aislante convencional. Así se convierte en el material ideal para la fabricación de un TFET que funcione a temperatura ambiente.

El artículo es James L. Collins, Anton Tadich, …, Mark T. Edmonds, “Electric-field-tuned topological phase transition in ultrathin Na3Bi,” Nature (10 Dec 2018), doi: 10.1038/s41586-018-0788-5. La propuesta teórica del TFET se publicó en Xiaofeng Qian, Junwei Liu, …, Ju Li, “Quantum spin Hall effect in two-dimensional transition metal dichalcogenides,” Science 346: 1344-1347 (12 Dec 2014), doi: 10.1126/science.1256815; ver también el breve Luke Fleet, “Topological transistor,” Nature Physics 11: 5 (2015), 10.1038/nphys3217.

En este blog te recomiendo leer “Un material tridimensional que imita al grafeno”, LCMF, 25 Feb 2014, y “Se observa la anomalía quiral en un aislante topológico tipo semimetal de Dirac”, LCMF, 4 Sep 2015.

Esta figura ilustra el diagrama de bandas de un semimetal de Dirac topológico. A la izquierda se muestran las bandas de conducción en el borde del material que se cruzan en un punto de Dirac (cono de Dirac) cuando no se aplica un campo eléctrico externo. A la derecha se muestra el salto de banda del material cuando se comporta como un aislante convencional tras aplicar un campo eléctrico. Estas figuras se han obtenido por simulaciones numéricas usando la teoría del funcional densidad (DFT) para el Na3Bi.

No se ha fabricado un dispositivo aislado, sino que que se ha medido la transición cuántica topológica en gotas de Na3Bi distribuidas sobre una superficie de silicio, Si(111). Las medidas de la estructura de bandas se han obtenido mediante la técnica ARPES. La figura que abre esta entrada muestra el diagrama de fases de la transición. Sin lugar a dudas en poco tiempo habrá dispositivos TFET individuales. Por supuesto, faltan décadas para soñar con una nanoelectrónica comercial basada en estos dispositivos. Pero soñar es gratis.



8 Comentarios

  1. Francis perdon por preguntar aca, pero no se si respondes en articulos viejos

    La superconductividad a temperatura ambiente permitiria transmicion de electricidad sin perdida?
    Segun un articulo periodistico no es necesario esperar ya que las lineas UHV son mejores, dice:
    Las lineas de transmiciones actuales pierden el 50% de la energia desde la central eelctrica hasata el hogar.
    Se necesitan rejillas de energía de voltaje ultraalto para una transmisión eficiente de la energía a través de grandes distancias. Estos están siendo desplegados a escala continental por China. Los voltajes más altos pueden transmitir electricidad al 99.8% sin pérdida de energía a más de 100 millas de distancia. Existen y se están construyendo a lo largo de miles de millas y pueden transmitir la potencia de 200 reactores nucleares
    Una línea de energía de 160 km (160 km) a 765 kilovoltios con 1000 MW de potencia puede tener pérdidas de 1.1% a 0.5%. Una línea de 345 kilovoltios que transporta la misma carga en la misma distancia tiene pérdidas de 4.2%. La línea de 1.1 megavoltios de China puede tener pérdidas de energía de 10 a 20 veces menos que las líneas de 345 kilovoltios

    1. Exacto, Benjamin, por definición, las líneas de transporte superconductoras no tienen pérdidas (aunque están limitadas en cuanto a la intensidad de corriente que pueden transmitir, ya que si es muy alta destruye el estado superconductor). Para más, tira del hilo de “Nuevo método para mejorar el transporte de eléctricidad en superconductores” Agencia SINC, 06 Feb 2013.

      [PS] Te recomiendo el artículo de Brian Wang, “Superconductors are Near Room Temperature but UHV Lines are Better for the Grid,” NBF, 10 Dec 2018: “Ultra-High Voltage energy grids are being deployed at continental scale by China. The highest voltages can transmit electricity 99.8% without energy loss over 100 miles of distance.” [/PS]

  2. Sin duda entre los TFET y la lógica MESO nos espera un futuro muy interesante.
    Yo estudié electrónica cuando se empezaba a reemplazar la lógica TTL por CMOS, así que estas tecnologías me resultan asombrosas.

  3. (OT) Buenos días, Francis! No sé si has tenido oportunidad de leer este artículo o si ya conocías el proyecto de esta persona. En cualquier caso, me gustaría saber si tienes idea de a qué se refiere el físico Javier Tamayo cuando alude a que “pareciera que se violan las leyes de la física” o “Creo que existe alguna fuerza en la naturaleza que hace que los anticuerpos sean capaces de encontrar su pareja a muy larga distancia” entre otras. No llega a profundizar, pero creo entender que, lo que le parece evidenciar la actuación de una fuerza desconocida es la detección en laboratorio de concentraciones proteicas mucho menores de lo esperado. ¿Conoces teorías similares?

    Saludos.

    1. Kori, en ninguno de sus artículos científicos sobre esta técnica (que se puede usar con concentraciones de hasta 10 ag/mL) indica que se viole alguna ley física, o que no haya explicación de los resultados. No sé por qué lo comenta en la entrevista. Pero lo mejor es que no le hagas ni caso… quizás sea cosa del periodista. Ni idea.

      Puedes consultar, por ejemplo, “Optomechanical devices for deep plasma cancer proteomics” https://doi.org/10.1016/j.semcancer.2017.08.011, “Detection of cancer biomarkers in serum by merging nanomechanics and optoplasmonics” https://doi.org/10.1109/TRANSDUCERS.2015.7180950, y “Effect of Actin Organization on the Stiffness of Living Breast Cancer Cells Revealed by Peak-Force Modulation Atomic Force Microscopy” https://doi.org/10.1021/acsnano.5b07162.

  4. Disculpa, no recuerdo si pregunté esto antes, pero ¿ya hay algún dispositivo o aplicación práctica del tan cacareado grafeno?
    Es que temo que todo quede en “agua de borrajas” después de tanta expectación porque no encuentro más que publicidad falsa de “cosas” con grafeno (hasta publicitarán paella con grafeno).

    1. Vicente, fabricar grafeno de alta calidad es muy caro, extremadamente caro. No habrá ninguna aplicación “barata” del grafeno hasta que sea barato fabricar grafeno. Parece obvio y lo es. No es publicidad falsa, sino economía de mercado. Hay miles de aplicaciones (y aparecen varias nuevas cada semana) que aún son prototipos de laboratorio esperando a que sea barato. Hay muchas aplicaciones que usan “grafeno” de calidad pésima, pero en rigor no usan grafeno, solo lo publicitan, y son productos de lujo (desde raquetas a bicicletas, pasando por altavoces y baterías, que puedes comprar hoy mismo, pero cuyo coste es prohibitivo). ¿Cuándo será barato fabricar grafeno a escala industrial? Nadie lo sabe…

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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 11 diciembre, 2018
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