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Desarrollan un prototipo de "transistor de Mott"

Investigadores en Japón han dado a conocer un prototipo de "transistor de Mott" (MTFET). Si se aplica comercialmente, por ejemplo, un transistor de este tipo puede ofrecer ventajas significativas sobre los diseños actuales de eficiencia energética y velocidad de conmutación

Como los transistores son la base de la electrónica moderna, los científicos están buscando continuamente maneras de mejorarlos. Los transistores utilizados para la conmutación en las computadoras modernas se basan en el efecto de campo. En estos transistores, un voltaje aplicado entre la puerta y los electrodos de drenaje aumenta la conductividad de un semiconductor, permitiendo que la electricidad fluya entre la fuente y los electrodos de drenaje. Idealmente, un transistor debe conducir la menor corriente posible cuando no hay tensión entre la puerta y el drenaje (el estado de apagado) y tanta como sea posible cuando el voltaje de puerta está presente (el estado encendido). Una corriente baja es importante para la eficiencia energética, mientras que una gran corriente cuando está en conducción es importante porque permite que los circuitos funcionen más rápido.

Transistor ideal

Un transistor ideal sería un aislante total en el estado de apagado y un conductor perfecto en el estado de conducción. Por lo tanto, una medida importante de la calidad de un transistor es la relación de la corriente de conducción frente a la corriente mínima. Sin embargo, con un transistor estándar de efecto de campo (FET), este cambio en la conductividad está influenciado sólo por una capa delgada cercana a donde la corriente fluye entre puerta y drenaje. Esto limita la proporción de la corriente de corriente mínima que se puede lograr.

Los científicos han sugerido que podría ser posible mejorar esta relación mediante el uso de aisladores de Mott en los transistores. Los aislantes de Mott son materiales que deben comportarse como metales de acuerdo a las teorías convencionales de banda, pero actúan como aislantes bajo ciertas condiciones debido a correlaciones cuánticas entre los electrones vecinos. Por razones que son complejas y no se entienden por completo, sin embargo, se pueden inducir repentinas transiciones de fase entre el estado de aislamiento y al estado metálico. Entre otras cosas, esta transición metal-aislante puede ser inducida por un campo eléctrico. Mientras la tensión de puerta en un transistor ordinario simplemente modula la resistencia de un semiconductor, el voltaje de puerta en un transistor de Mott podría convertir un aislador en un metal.

Transiciones en bloque

Varios grupos de investigación han tratado de producir transistores Mott en el pasado, pero han fallado en generar los campos eléctricos necesarios para inducir la transición metal-aislante en la superficie del aislante Mott. Ahora, los científicos del Instituto de Ciencia Avanzada RIKEN en Wako, Japón, han cubierto la superficie de dióxido de vanadio del aislante de Mott con una gota de líquido iónico. Cuando se aplica una pequeña tensión de compuerta al líquido iónico, éste genera un campo eléctrico enorme en la superficie del aislante Mott, induciendo a cambiar al estado metálico. Lo mejor de todo, a diferencia de un transistor estándar, es que la transición de fase —y en consecuencia el cambio en la conductividad— se produce no sólo en la superficie, sino también en todo el grueso del material. Los investigadores no tienen del todo claro por qué ocurre, pero sospechan que el campo eléctrico en la superficie del aislante Mott induce una transición de fase en una capa delgada cerca de la superficie, y que esto introduce la energía a la red de átomos del material, iniciando así una especie de efecto cascada con el cambio de fase propagándose en el material como una ola.

Los investigadores logran una corriente en la relación de corriente mínima de 100:1. Esto puede parecer decepcionante, frente a las cifras de los FET modernos, que pueden alcanzar proporciones tan altas como un millón a uno, pero Jochen Mannhart, un físico de materia condensada en el Instituto Max Planck para la Investigación del Estado Sólido en Stuttgart, Alemania, insiste en que no es el caso. "La característica más importante de esta investigación", dice, "es que los investigadores demostraron que en un poco de material —en este caso de dióxido de vanadio— mediante la aplicación de un voltaje a la compuerta se puede cambiar a todo el volumen del material de aislante a conductor, y con ello cambiar un volumen muy grande de electrones de estar inmóviles a circular".

Él explica que, mientras que los modernos FET son resultado de 30 años de optimización, este transistor de Mott es una prueba inicial y no ha sido optimizado en absoluto. Mannhart dice que el único problema real para el dispositivo es la presencia del líquido iónico, que no sería práctico en un componente de circuito real y tendrá que ser sustituido por un aislante sólido.

Masaki Nakano, quien dirigió la investigación, está de acuerdo en que será importante, pero él dice que, por el momento, el grupo no se enfoca en un desarrollo adicional de su dispositivo. "En la actualidad, todavía tenemos que utilizar mucho tiempo para entender nuestro dispositivo", explica, "y hay muchas cosas que todavía no están claras".

La investigación se publica en Nature.

Fuente: Physics World. Aportado por Eduardo J. Carletti
© Robots Argentina - Julio 2012

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