COMPUTADORAS CUÁNTICAS
Nanotecnología
El mundo cuántico tiene maravillosos y curiosos fenómenos que no se presentan a escala macroscópica. Presentaré una posible aplicación.
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Índice 1. Introducción.............................................................................................................................................................. 3 1.1 El carbono .......................................................................................................................................................... 3 2. FULLERENO ............................................................................................................................................................... 3 2.1 DESCUBRIMIENTO .............................................................................................................................................. 3 2.2 PREPARACIÓN DE LOS FULLERENOS .................................................................................................................... 4 2.3 ¿POR QUÉ SE LLAMAN FULLERENO Y FULLERENOS? ............................................................................................ 6 3. NANOTUBOS Y ESPECIES RELACIONADAS .................................................................................................................. 6 3.1 ALGUNAS APLICACIONES DE LOS NANOTUBOS ................................................................................................... 8 3.2 PROPIEDADES ELÉCTRICAS .................................................................................................................................. 9 4. GRAFENO .................................................................................................................................................................. 9 4.1 DESCUBRIMIENTO ............................................................................................................................................ 10 4.2 APLICACIONES EN ELECTRÓNICA ....................................................................................................................... 11 4.3 UTILIDAD DEL GRAFENO ................................................................................................................................... 11 4.4 APARIENCIA DEL GRAFENO ............................................................................................................................... 12 4.5 OBTENCIÓN DEL GRAFENO ............................................................................................................................... 12 5. Computadoras cuánticas………………………………………………………………………………………………………………………………………..14 5.1 El qubit……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………14 5.2 Dispositivos electrónicos, el nanotransistor…………………………………………………………………………………………………….15 5.3 Disco duro……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….17 5.4 Teletransportación entre átomos…………………………………………………………………………………………………………………….18 5.5 Monitores nuevos, Nanotecnología Visual…………………………………………………………………………………………………….…18 5.6 Información cuántica…………………………………………………………………………………………………………………………………….…19 5.7 Desventajas…………………………………………………………………………………………………………………………………………………….19 5.8 Ventajas………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….20 5.9 Conclusión……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….20 6. Glosario ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..21 7.Bibliografía……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..21
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1. INTRODUCCIÓN 1.1 El CARBONO El carbono es un elemento distintivo. Se presenta en formas y colores distintos. Lo más común es visualizarlo de color negro y frágil como el grafito, pero también puede encontrarse en forma cristalina y duro como el diamante. Así pues decimos que el carbono es un elemento alótropo ya que tratándose del mismo material sus propiedades cambian según su estructura.
Recientemente se han descubierto nuevos materiales derivados del carbono, conocidos como fullereno (C60), grafeno y nanotubos de carbono. Los cuales se abordaran a más adelante, llevándonos desde su descubrimiento, su nombre hasta sus aplicaciones.
2. FULLERENO 2.1 DESCUBRIMIENTO La molécula de C60 se descubrió en la Universidad de Susex, por el químico británico Harold Kroto y su equipo, los cuales buscaban cadenas carbonadas largas poli-insaturadas vaporizando grafito por medio de láser.
Esta molécula (C60) es la más simétrica conocida, con 120 elementos de simetría entre los de rotación, reflexión, inversión y el propio centro de simetría. Cabe mencionar que el C60 está cambiando el mundo ya que supone el origen de una nueva ciencia y tecnología: la Nanociencia 1- y la nanotecnología. Ya que su dimensione es de C60, d ≈1 nm (10-9 m: la milmillonésima de metro).
Este desarrollo ha contribuido con el invento y posterior desarrollo de los microscopios de efecto túnel, que no sólo permiten hacer observaciones en el nanomundo sino, además, llevar a cabo manipulaciones de los nano-objetos y, en particular de átomos y moléculas y iones.
1***una parte de la Ciencia que trata de los fenómenos que tienen lugar en la escala nanométrica (1 nm 109 m) habitualmente se consideran dentro de ella los objetos de dimensiones comprendidas entre 1 y 100 nm, y una nueva tecnología: la Nanotecnología que utiliza esos fenómenos y esos materiales para el desarrollo científico y tecnológico, ver más adelante.***
2.2 PREPARACIÓN DE LOS FULLERENOS La preparación en cantidades macroscópicas de estas moléculas tuvo lugar posteriormente por parte de Krashmer y Huffman 2 quienes prepararon fullerenos por el que hoy es el método estándar de síntesis: haciendo saltar un arco voltaico entre dos electrodos de grafito en una atmósfera de helio, seguido de un proceso de extracción en benceno. Figura 1 b.
El fullereno C60 y C70, no son las únicas moléculas obtenidas de este proceso, sino que se trata de toda una nueva familia de moléculas cerradas en la que se puede deducir por consideraciones geométricas cuál es la más pequeña, pero no cuál sería la más grande. En efecto, de acuerdo con el Teorema de Euler, el número característico, NC, de un poliedro regular es dos e igual al número de vértices más el de caras menos el de aristas. De este modo, por ejemplo, en el cubo, NC=8+6-12=2.
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En el caso de los icosaedros hay dos tipos de caras, pentágonos y hexágonos; el menor icosaedro es el pentagonal que tiene doce caras y veinte vértices, por lo que si en cada uno de estos hay un átomo de carbono, la composición de la molécula es C20. Experimentos llevados a cabo por Prinzbach et al17 han conseguido a través de un elaborado proceso de síntesis, la preparación de C20 que presenta, al menos cinco isómeros, tres de los cuales se recogen en la Figura 2. De ellos, el de tipo jaula (1) corresponde al menor fullereno posible. Una molécula que no es particularmente estable
Figura 2
Como era de esperar, al cambiar el número de átomos de carbono cambian notablemente las propiedades de los fullerenos, (conviene recordar a este respecto que no hay dos especies químicas iguales) y como ejemplo de ello, en la Figura 3 se recoge un sencillo ejemplo del color de varios fullerenos diferentes, en su solución en benceno.
Figura 4
Figura 3
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En cuanto al fullereno más grande, no existe ninguna regla para determinarlo y se han predicho la existencia de especies muy voluminosas como C240 que sería muy inerte debido a su amplio radio de curvatura18. Por otra parte, la combinación de hexágonos y pentágonos característica de los fullerenos, no es exclusiva de estas interesantes moléculas y hace cerca de 100 años, el mineralogista D’arcy Tompson describió19 muy interesantes ejemplos de radiolarias, protozoos de esqueleto silíceo formados por dichos polígonos en proporciones variables, Figura 4. Ver, no obstante el apartado siguiente.
2.3 ¿POR QUÉ SE LLAMAN FULLERENO Y FULLERENOS? Los fullerenos, como cada molécula, tienen un nombre específico que debe reflejar, en mayor o menor medida, su estructura. En el caso del C60, la realidad es que dicho nombre es extremadamente complejo y, aunque riguroso, poco práctico a la hora de utilizarlo en la vida diaria. Por ello, los descubridores de la misma, trataron de darle un nombre más sencillo y para ello tuvieron en cuenta la obra del arquitecto norteamericano, de origen canadiense, Richard Buckminster-Fuller (18951983), Figura 5a y b. Este interesante filósofo y humanista, pero sobre todo, figura emblemática de la arquitectura y el diseño del Figura 5 siglo XX y célebre por sus cúpulas construidas sobre la base de pentágonos y hexágonos, Figura 5c, parece el personaje más adecuado para representar a esa familia de moléculas que, nada más descubrirse se supuso —muy acertadamente— importante. Así pues, Kroto, Smalley y sus colaboradores denominaron al C60 buckminsterfullereno, que pronto se abrevió a su definición genérica actual de fullerenos y que si bien se escribe con doble l, la antigua elle, se pronuncia fulerenos para respetar la fonética original. A la vista del edificio representativo del Pabellón de los Estados Unidos en la Exposición Universal de Montreal, de 1967, quizá la obra más conocida de Buckminster-Fuller, recogida en la Figura 5 podemos suponer, algo metafóricamente, que este será, con toda probabilidad, el fullereno más grande que llegue a fabricarse, ya que su dimensión ciclópea representa más de diez órdenes de magnitud la dimensión del C60.
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3. NANOTUBOS Y ESPECIES RELACIONADAS Sumio Ijima 3, un muy conocido microscopista electrónico, decidió observar los electrodos de grafito tras la fabricación de fullerenos. Esa curiosidad le permitió descubrir unas especies químicas carbonadas de estructura tubular y dimensiones nanométricas, Figura 6 a, que se denominan nanotubos; al tratarse de especies cilíndricas —o cónicas— concéntricas, el haz de electrones da lugar a imágenes de líneas equidistantes —o convergentes—, como sugiere la Figura 6 b.
Figura 6
Especies análogas se conocían, sin embargo, hace más de ¡cien años! Cuando Hughes and Chambers habían patentado y Schützenberger and Schützenberger publicado26 la preparación de unas especies de carbón filamentoso que, tras su observación en el microscopio electrónico por Radushkevich and Lukyanovich in 1950, Figuras 7 a y b, resultan ser lo que ahora se denominan nanotubos NT (nanotubes: NT).En la Figura 7 c pueden apreciarse las estrechas relaciones entre el grafito y los nanotubos que, de hecho, pueden derivarse formalmente del arrollamiento sobre sí misma de una o varias capas concéntricas de grafito. Y pueden ser abiertos por ambos lados, por solo uno, o cerrados, lo que requiere de la presencia de pentágonos para conseguir el cierre de las cúpulas de los extremos. Figura 17
Por cierto que, a una capa individual de grafito (esto es de un 7 átomo de espesor) se la denomina grafeno —Figura 7 d— y constituye, en el momento actual, uno de los temas de más interés en el estudio tanto teórico como experimental, de la materia condensada27.
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Volviendo a los nanotubos cabe señalar que por la diferencia observada en sus propiedades se distinguen dos tipos: Nanotubos monopared NTMoP (Single walled nanotubes: SWNT) y nanotubos multipared NTMuP (multiwalled nanotubes: MWNT)28.
Con relación a los primeros, que resultan como decíamos de arrollar sobre sí misma una lámina de grafeno, pueden ser de tres tipos, dependiendo del ángulo de arrollamiento: en zig-zag, de hélice o quiral y en forma de silla, Figura 8. De ello resulta además la naturaleza de sus propiedades electrónicas, siendo los de tipo silla metálicos y semiconductores los de hélice. A menudo, y debido a las fuerzas de van der Waals, los nanotubos se asocian en agregados o manojos, dando lugar a cuerdas Figura 9.
Figura 8
Figura 9
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En cuanto a los nanotubos multipared, presentan unas propiedades extraordinarias debido a su también extraordinaria estructura y a la fortaleza del enlace: Se trata de materiales anisotrópicos y en la dirección del eje tienen propiedades mucho más interesantes que en su deformación radial. En términos de deformación, se trata de los materiales con mayor límite elástico o resistencia a la tracción, 63 GPa, y muy elevada rigidez, esto es resistencia a la deformación, descubiertos hasta ahora. Por lo que se pueden plegar, Figura 10.
En cuanto a los nanotubos multipared, presentan unas propiedades extraordinarias debido a su también extraordinaria estructura Figura 10 y a la fortaleza del enlace: Se trata de materiales anisotrópicos y en la dirección del eje tienen propiedades mucho más interesantes que en su deformación radial. En términos de deformación, se trata de los materiales con mayor límite elástico o resistencia a la tracción, 63 GPa, y muy elevada rigidez, esto es resistencia a la deformación, descubiertos hasta ahora. Por lo que se pueden plegar, Figura 11.
Figura 11
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3.1 ALGUNAS APLICACIONES DE LOS NANOTUBOS Una de las primeras aplicaciones de los nanotubos de carbono fue la construcción de un nanotermómetro con galio como líquido termométrico, Figura 15 a, lo que permitiría su utilización en un amplio margen de temperatura: en principio entre 30 y 2403 ºC. Puede observarse que el aumento de la temperatura produce un apreciable incremento en la altura de la columna, y que existe una correlación lineal, Figura 15 d. Además el fenómeno es reversible.
De entre las muchas aplicaciones químicas de estas interesantes especies que son los nanotubos, señalaremos su utilización como soporte de catalizadores. En este caso, se puede distinguir entre lo exoédrico, con el catalizador depositado en el exterior del nanotubo, esto es en su superficie, lo que es esencialmente igual a un catalizador habitual, o endoédrico, cuando las partículas metálicas están situadas en el interior del nanotubo, Un ejemplo ilustrativo de ello es la reacción del monóxido de carbono y el hidrógeno que, en presencia de rodio, da lugar a la producción de etanol29:
3.2 PROPIEDADES ELÉCTRICAS
Los nanotubos se caracterizan por presentar una gran complejidad electrónica, si tenemos en cuenta las reglas cuánticas que rigen la conductividad eléctrica con el tamaño y la geometría de éstos. Estas estructuras pueden comportarse, desde un punto de vista eléctrico, en un amplio margen de formas, comenzando por el comportamiento semiconductor hasta presentar, en algunos casos, superconductividad. Este amplio margen de conductividades viene dado por relaciones fundamentalmente geométricas, es decir, en función de su diámetro, torsión (quiralidad) y el número de capas de su composición. Así, por ejemplo, existen nanotubos rectos (armchair y zigzag) en los que las disposiciones hexagonales, en las partes extremas del tubo, son siempre paralelas al eje. Esta distribución, en función del diámetro, permite que dos tercios de los nanotubos no quirales sean conductores y el resto semiconductores. En el caso de los nanotubos quirales, los hexágonos tienen un cierto ángulo con respecto al eje del tubo, es decir, la distribución de los hexágonos laterales que conforman la estructura presenta con respecto al eje central del tubo un enrollamiento de carácter helicoide. Este tipo de conformación dificulta el paso de los electrones a los estados o bandas de conducción, por lo que, aproximadamente, tan sólo un tercio de los nanotubos presenta conducción apreciable y siempre en función del ángulo de torsión.
Hay que destacar que los nanotubos superconductores se podrían utilizar para el estudio de efectos cuánticos fundamentales en una dimensión, así como para la búsqueda de aplicaciones prácticas en la informática cuántica molecular. Esto es debido a que pueden actuar como 7
“conductores cuánticos”, es decir, si se representa el voltaje, o diferencia de potencial frente a la intensidad de corriente no se obtiene una línea recta, sino escalonada. Como se ha dejado entrever, estas estructuras tienen multitud de propiedades eléctricas. En cuanto a la capacidad para transportar corriente, se sabe que puede llegar a cantidades de, aproximadamente, mil millones de A/cm2, mientras que los alambres de cobre convencionales se funden al llegar a densidades de corriente del orden del millón de A/cm2. Conviene precisar que todas estas propiedades no dependen del largo del tubo, a diferencia de lo que ocurre en los cables de uso cotidiano.
4. GRAFENO El grafeno es una sustancia formada por carbono puro, con átomos dispuestos en un patrón regular hexagonal similar al grafito, pero en una hoja de un átomo de espesor. Es muy ligero, una lámina de 1 metro cuadrado pesa tan sólo 0,77 miligramos. Es un alótropo del carbono, un teselado hexagonal plano (como panal de abeja) formado por átomos de carbono y enlaces covalentes que se generan a partir de la superposición de los híbridos sp2 de los carbonos enlazados. El Premio Nobel de Física de 2010 se le otorgó a Andréy Gueim y a Konstantín Novosiólov por sus revolucionarios descubrimientos acerca de este material.1 2 Mediante la hibridación sp2 se explican mejor los ángulos de enlace, a 120°, de la estructura hexagonal del grafeno. Como cada uno de los carbonos contiene cuatro electrones de valencia en el estado hibridado, tres de esos electrones se alojan en los híbridos sp2, y forman el esqueleto de enlaces covalentes simples de la estructura. El electrón sobrante se aloja en un orbital atómico de tipo «p» perpendicular al plano de los híbridos. El solapamiento lateral de dichos orbitales da lugar a formación de orbitales de tipo π. Algunas de estas combinaciones propician un gigantesco orbital molecular deslocalizado entre todos los átomos de carbono que constituyen la capa de grafeno. El nombre proviene de intercambio –en el vocablo grafito– de sufijos: «ito» por «eno»: propio de los carbonos con enlaces dobles. En realidad, la estructura del grafito puede considerarse una pila de gran cantidad de láminas de grafeno superpuestas.3 Los enlaces entre las distintas capas de grafeno apiladas se deben a fuerzas de Van der Waals e interacciones de los orbitales π de los átomos de carbono. Estructura cristalina del grafito. Se ilustran las interacciones de las diversas capas de anillos aromáticos condensados. En el grafeno, la longitud de los enlaces carbono-carbono es de aproximadamente 142 pm (picómetros). Es el componente estructural básico de todos los demás elementos grafíticos, incluidos el propio grafito, los nanotubos de carbono y los fullerenos.
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A esta estructura también se le puede considerar una molécula aromática extremadamente extensa en las dos direcciones espaciales. Es decir, sería el caso límite de una familia de moléculas planas de hidrocarburos aromáticos policíclicos denominada grafenos. Anteriormente, se han utilizado para el término grafeno descripciones como capas de grafito, capas de carbono u hojas de carbono. [...] No es correcto utilizar, para una sola capa, un término que incluya el término grafito, que implica una estructura tridimensional. El término grafeno debe ser usado sólo cuando se trata de las reacciones, las relaciones estructurales u otras propiedades de capas individuales. En este sentido, al grafeno se le ha definido como hidrocarburo aromático policíclico infinitamente alternante de anillos de sólo seis átomos de carbono. La molécula más grande de este tipo contiene 222 átomos de carbono o 37 «unidades de benceno» separadas.4 Las cifras de la oración anterior son las contenidas en el resumen de la cita. Debería ser: 111 átomos de carbono y 111 átomos de hidrógeno o, más simple, 222 átomos, lo cual resulta de 37 x 6 (átomos de carbono –o de hidrógeno– del benceno, de fórmula C6H6) = 222, o bien: 18.5 anillos de benceno: 18.5 x 12 (átomos del benceno) = 222. La opción de «unidades» fue para obtener una cifra «redonda» (37), y por consiguiente evitar la expresión fraccionaria (18,5).
4.1 DESCUBRIMIENTO El repentino aumento del interés científico por el grafeno puede dar la impresión de que se trata de un material nuevo. En realidad se conoce y se ha descrito desde hace más de medio siglo. El enlace químico y su estructura se describieron durante el decenio de 1930. P. R. (Philip Russell) Wallace calculó por primera vez (en 1949) la estructura electrónica de bandas.11 Al grafeno se le prestó poca atención durante décadas al pensarse que era un material inestable termodinámicamente ya que se pensaba que las fluctuaciones térmicas destruirían el orden del cristal dando lugar a que el cristal 2D se fundiese. Bajo este prisma se entiende la revolución que significó que Novoselov y Geim consiguiesen aislar el grafeno a temperatura ambiente. La palabra grafeno se adoptó oficialmente en 1994, después de haber sido designada de manera indistinta – en el campo de la ciencia de superficies– «monocapa de grafito». Además, muchas nanoestructuras recientemente descubiertas, como los nanotubos de carbono, están relacionadas con el grafeno. Tradicionalmente, a estos nanotubos se les ha descrito como «hojas de grafeno enrolladas sobre sí mismas».12 De hecho las propiedades de los nanotubos de carbono se explican y entienden fácilmente a partir de las inherentes al grafeno.13 14 Se ha descrito también la preparación de nanotiras de grafeno mediante nanolitografía, haciendo uso de un microscopio de efecto túnel.15
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4.2 APLICACIONES EN ELECTRÓNICA Las propiedades del grafeno son ideales para utilizarlo como componente de circuitos integrados. Está dotado de alta movilidad de portadores, así como de bajo nivel de «ruido». Ello permite que se le utilice como canal en transistores de efecto campo (FET). La dificultad de utilizar grafeno estriba en la producción del mismo material en el sustrato adecuado. Investigadores están indagando métodos tales como transferencia de hojas de grafeno desde grafito (exfoliación) o crecimiento epitaxial (como la grafitización térmica de la superficie del carburo de silicio: SiC). En diciembre de 2008, IBM anunció que habían fabricado y caracterizado transistores que operaban a frecuencias de 26 gigahercios (GHz).16 En febrero de 2010, la misma empresa anunció que la velocidad de estos nuevos transistores alcanzó los 100 GHz.17 En septiembre de 2010 se alcanzaron los 300 GHz.18 Las publicaciones especializadas rebosan de artículos en los que se atribuye a esta estructura de carbono cualidad de «panacea universal» en la tecnología para reemplazo de dispositivos de silicio por grafeno. Pero no toda la comunidad científica comparte este optimismo. El célebre físico holandés Walter de Heer afirma: El grafeno nunca reemplazará al silicio. Nadie que conozca el mundillo puede decir esto seriamente. Simplemente, hará algunas cosas que el silicio no puede hacer. Es como con los barcos y los aviones. Los aviones nunca han reemplazado a los barcos.19 Además, el grafeno carece de una banda de resistividad, propiedad esencial que le es inherente al silicio. Eso implica que el grafeno no puede dejar de conducir electricidad: no se puede apagar.
4.3 UTILIDAD DEL GRAFENO Para poder hacernos una idea de en cuántos campos distintos puede aplicarse el grafeno, es necesario echar un vistazo a nuestro alrededor y ver todo lo que nos rodea. Ordenadores, coches, teléfonos móviles y equipos de música son, por mencionar sólo algunos de ellos, cosas que encontramos frecuentemente en nuestra vida cotidiana en las que el grafeno se podría llegar a aplicar. Por sus propiedades, el grafeno puede servir como material en la fabricación de aviones, satélites espaciales o automóviles, haciéndolos más seguros. También en la construcción de edificios, pues los convertiría en más resistentes. Pero, sobre todo, destacan sus aplicaciones en el campo de la electrónica, donde a través de su capacidad para almacenar energía puede dotar a las baterías de una mayor duración y un menor tiempo de carga, establecer conexiones más rápidas e incluso contribuir a mejorar el medio ambiente sustituyendo a materiales contaminantes que hoy en día nos vemos obligados a utilizar.
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No hay que olvidar su relevancia en el ámbito de la salud. Las prótesis de grafeno podrían sustituir a las actuales, de diversos materiales. O incluso se podría aplicar para mejorar el tratamiento de algunas enfermedades. Por todo esto, no es de extrañar que se diga que su utilidad es prácticamente ilimitada y que las barreras a su aplicación únicamente son las de la imaginación humana.
4.4 APARIENCIA DEL GRAFENO El grafeno es un material que combina una gran cantidad de propiedades que no se dan juntas en cualquier otro compuesto. ¿Qué significa esto? Que es capaz de mejorar por completo las condiciones de cualquier superficie donde se aplique. Y es que es un material muy duro, resistente, flexible y muy ligero; lo que permite moldearlo según las necesidades de cada caso. Conduce muy bien tanto el calor como la electricidad; y permanece en condiciones muy estables cuando se le somete a grandes presiones. Su futuro en terrenos como la medicina se presenta realmente prometedor. ¿Un ejemplo de en qué se podría usar? En las máquinas con las que se realizan las radiografías. Éstas funcionan mediante radiaciones ionizantes, unas formas de energía que hacen que los materiales que se encuentran a su alrededor se desgasten muy pronto. Pues bien, el grafeno ofrecería una duración casi infinita, por lo que la inversión que habría que realizar en la adquisición del material sería, a la larga, mucho menor. Pero además, el grafeno es capaz de generar electricidad a través de la energía solar, lo que le convierte en un material muy prometedor en el campo de las energías limpias. Para que te hagas una idea de su potencial, si se construyeran con grafeno las placas solares, podrían generar varias veces más energía por hora que las actuales. ¿Será este material una de las herramientas necesarias para superar la crisis energética que previsiblemente se desatará cuando se agoten las reservas de petróleo?
4.5 OBTENCIÓN DEL GRAFENO Llegados a este punto, seguramente te preguntarás por qué, si el grafeno tiene tantas cualidades y ofrece tantos beneficios, no se emplea para mejorar nuestra calidad de vida. La respuesta es sencilla. Para que conserve todas sus propiedades, el mineral ha de ser de la mayor calidad posible. Con el método tradicional de obtención a base de deshojar el grafito con cinta adhesiva, se consigue grafeno de muy alta calidad, pero la cantidad producida es mínima y resulta insuficiente para su uso industrial.
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Por otro lado, el empleo de otros métodos para su obtención, enfocados en aumentar la cantidad producida, no consiguen un producto con la calidad suficiente. Actualmente, se comercializa el grafeno bajo dos formas: En lámina y en polvo. ¿En qué se diferencian? • Grafeno en lámina: es de alta calidad y se emplea en campos como la electrónica, la informática o incluso la aeronáutica, donde se requiere un material muy resistente. Su producción es actualmente muy costosa. • Grafeno en polvo: se usa en aquellos ámbitos que no requieren de un material de alta calidad. Su proceso de obtención es más barato y permite una mayor producción del producto, pero renunciando a parte de sus propiedades.
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Capitulo III 5. Computadoras cuánticas
La tecnología suele mejorar con el tiempo, en algunos casos llega a hacerse más pequeño. Esta idea fue predicha por Gordon E. Moore, fundador de Intel, el cual nos dice que aproximadamente cada dos años se duplicaría el número de transistores por unidad de área. Esta ley tiene, desgraciadamente, un límite para la miniaturización de los dispositivos y ni siquiera es física sino teórica.
Ley de moore
5.1 El qubit Para entender un poco de lo que es qubit emperezaremos con un poco de mecánica cuántica. De acuerdo con Schrödinger1, un electrón puede estar básicamente en dos lados al mismo tiempo, y propone un experimento mental para comprenderlo. 13
Tomas un gato y lo metes a una caja, totalmente aislado del exterior. En la caja se encuentran un matraz lleno de cianuro y un mecanismo que es controlado por átomo de un material radioactivo que puede descomponerse. Al dejar pasar una hora existe un 50% de probabilidad de que el átomo se haya descompuesto, el mecanismo rompiera el matraz con el cianuro y el gato estuviera muerto. Sin embrago puede que el átomo no se hubiera descompuesto y el gato estuviera vivo. En este punto podríamos decir que simultáneamente el gato está muerto y vivo. Al menos hasta que miremos dentro de la caja.
Este estado simultáneo es conocido como principio de superposición. El qubit es, básicamente un estado simultaneo tiene dos estados relativos llamados ket cero y ket uno ( y ). El electrón puede encontrarse en entre esos estados relativos, es decir, se comportaría como cero y uno. Un arreglo de Qubits se comportaría como un arreglo de computadoras trabajando en paralelo, haciendo que su potencia de cálculo fuera por mucho, mayor que cualquier computadora actual. ¿Qué es una computadora cuántica? Una computadora cuántica es dispositivo capaz de usar el principio se superposición de mecánica cuántica y hacer cálculos. Es una definición simple y corta pero es la punta del iceberg de las posibles máquinas del futuro. En la siguiente investigación veremos cómo podrían ser construidas y los posibles materiales que se podrían usar. Además veremos sus posibles usos e inconvenientes que tendrían estos aparatos. Con toda la teoría sería sensato preguntarnos ¿Es posible construir una computadora cuántica? ¿Qué usos podrían dársele? Etc.
5.2 Dispositivos electrónicos, el Nanotransistor La base de todos los dispositivos que hay en la actualidad es el transistor, dicho dispositivo se ha ido miniaturizando hasta tener una escala microscópica pero Como es evidente el aumento exponencial de transistores requiere un aumento en el tamaño del circuito o una disminución en el tamaño del propio dispositivo (de los cables y demás) por lo que ahí es donde entra en juego la nanotecnología. Una de las opciones más en alza, son los nanotubos de carbono. Algunos nanotubos de carbono son semiconductores, y esto significa que pueden ser utilizados en los transistores, reduciendo el tamaño del canal de cientos de nanómetros a unos pocos, aunque hay varios problemas que deben resolverse antes de que puedan estar conectados entre sí para formar circuitos de gran tamaño.
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Ya en noviembre de 2001, los laboratorios Bell hicieron un importante avance en los esfuerzos en este campo, con la fabricación de nanotransistores direccionables individualmente en la escala de una molécula, unidos a diminutos electrodos mediante autoensamblaje (unir moléculas en una cierta mezcla que hace que se combinen y autoensamblen sin intervención directa). Por desgracia este enfoque quedó en lo experimental sin ser viable para la fabricación industrial. En 2007 en la universidad de Manchester el profesor Andre Geim y el doctor Kostya Novoselov anunciaron la fabricación del transistor más pequeño hasta la fecha, basado en grafeno. Este transistor mide sólo un átomo de ancho y cincuenta átomos de largo y se postula como un firme candidato para sustituir a sus hermanos de silicio, en 2025 cuando se estima que llegara a su fin la “Era del Silicio”
Pero su principal virtud, que lo hace irresistible para la nanotecnología es su alta conductividad y mínima resistencia eléctrica. Así como resistente, elástico, duro, ligero, bajo efecto Joule y consume menos electricidad que el silicio en realizar una misma tarea. Resultando mucho más estable que el propio silicio a escalas de cientos de nanómetros.
Nano transistor, conectado desde Drain a Source mediante grafeno.
El principal problema del grafeno es su degradación, pero se ha publicado recientemente un artículo en Nature de Lei Liao et al., “High-speed graphene transistors with a self-aligned nanowire gate,” Nature 467: 305–308, 16 September 2010. El nuevo método de fabricación: consiste en colocar encima del grafeno nanohilos con un núcleo metálico (Co2Si) y un envoltorio aislante (Al2O3), estos nanohilos pueden actuar como terminal de puerta (G) en un transistor basado en grafeno en cuyos extremos se encuentra la fuente (S) y el drenador (D).
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5.3 Disco duro El pleno aprovechamiento de la mecánica cuántica permitiría a las computadoras del futuro resolver problemas que tomarían más que el tiempo de vida del universo en una computadora normal. Un equipo de científicos de la University College London (UCL) y el National High Magnetic Field Lab (NHMFL) en la Florida ha descubierto una manera nueva y más eficiente para codificar la información cuántica en silicio por sí mismo. A pesar de ser compatible con los chips de silicio a nuestro alrededor, el Bismuto se ha pasado por alto hasta la fecha en favor de átomos de fósforo en la carrera por las tecnologías cuánticas, porque la microelectrónica hoy en día explota el fósforo disuelto en silicio. Sin embargo, los investigadores en Londres y Florida han encontrado que los átomos de bismuto superan a los átomos de fósforo. El bismuto es el átomo estable más pesado y tiene un “espín” nuclear proporcionalmente grande. Su espín cuántico es como una pequeña aguja de brújula que puede existir en uno de los diez estados correspondientes a distintas inclinaciones en lugar de las dos direcciones disponibles para un núcleo de fósforo. Esto permite que los núcleos de bismuto puedan almacenar mucha más información cuántica que los núcleos de fósforo, puesto que el espacio de estado cuántico es ahora diez, en lugar de dos dimensiones. Las observaciones llevan a la suposición de un ‘dream team’ con ambos átomos de bismuto y fósforo en silicio: como son diferentes, pueden ser manipulados independientemente. El bismuto almacena la información cuántica, mientras que el fósforo controla el flujo de información. En Canada, el profesor Sandipan Pramanik se encuentra desarrollando un nuevo modo de almacenar información que puede revolucionar de manera espectacular el campo de los soportes digitales. El profesor investiga un circuito de memoria universal que vuelva obsoletas las memorias de acceso aleatorio dinámicas y a las estáticas usadas en ordenadores de escritorio o portátiles, así como las unidades de disco duro, los discos compactos y las memorias flash. Mediante la tecnología actual, seleccionar uno de estos tipos de sistemas de memoria siempre implica hacer concesiones en cuanto a exigencias de velocidad, costo, densidad de almacenamiento, consumo de energía y durabilidad o volatilidad. Pramanik está usando un enfoque único para el problema, aplicando nanotecnología y espintrónica. En pocas palabras, Pramanik está pegando nanotubos de carbono sobre una superficie con diminutos hoyos. La resistencia eléctrica de cada nanotubo (débil o fuerte), representa un “cero” o “uno” como bit básico de información.
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Según un artículo publicado en la revista Science, un grupo de científicos-investigadores provenientes del Joint Quantum Institute (JOl), de la Universidad de Maryland y la Universidad de Michigan, ha logrado por primera vez en la historia teletransportar información entre dos átomos. Este equipo teletranporto una serie de información a través de dos átomos situados a un metro de distancia uno del otro. Según comentan expertos, tal transferencia en caso de ser errónea o perdida, puede recuperarse con una exactitud de un 90%.
5.4 Teletransportación entre átomos Además, de acuerdo al diseño calcado por científicos el mismo tendría la capacidad y condiciones adecuadas para sentar las bases de un “repetidor cuántico“, el cual les daría la posibilidad de entrelazar las memorias cuánticas a través de vastas distancias. “Anteriormente si se había logrado la teletransportación con fotones a través de muy largas distancias, con fotones y conjuntos de átomos, y con dos átomos cercanos, con la acción intermediaria de un tercer átomo, pero nunca se había proporcionado un medio útil de almacenamiento y gestión de la información cuántica a larga distancia.
5.5 Monitores nuevos, Nanotecnologia Visual.
Un equipo de químicos de la Universidad de Duke ha perfeccionado una forma sencilla de hacer pequeños nanocables de cobre en cantidades. Los conductores baratos son lo suficientemente pequeños para ser transparentes, ideales para células solares de película delgada, televisores y computadoras de pantalla plana, y mostradores flexibles. Los últimos televisores de pantalla plana producen imágenes por una matriz de píxeles electrónicos conectados por una capa conductiva transparente hecha de ITO (Indium-Tin Oxide). Pero ITO tiene inconvenientes: es frágil, haciéndolo inadecuado para pantallas flexibles, su proceso de producción es ineficiente, es caro y se hace todavía más caro a medida que la demanda va subiendo. “Si vamos a tener estos dispositivos electrónicos ubicuos y células solares”, dice Wiley, “tenemos que utilizar materiales que son abundantes en la corteza de la tierra y no tienen mucha energía para extraer”. Él señala que hay muy pocos materiales que son conocidos por ser transparentes y conductores, lo cual es la razón por la que ITO se siga utilizando a pesar de sus inconvenientes.
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5.6 Información cuántica ¿Para qué sirve una computadora cuántica? La información no es física, es decir nadie puede decir que la información se puede tomar con las manos, es sólo conceptual. Una de las principales utilidades de las computadoras cuánticas sería la seguridad informática. Por ejemplo si se compra algo internet el servidor le dará una clave de 200 dígitos y nuestra computadora nos dará otro número de 200 dígitos. Se combina para tener un número 400 dígitos. Para poder acceder a esa información es necesario descifrar que números fueron los usados. Y para ello deben de factorizarse aquellos números que usaron para obtenerlo. A una computadora normal le llevaría demasiado tiempo hacer, se podría decir que hasta imposible. Mientras que a una computadora cuántica le llevaría unas cuantas horas. También se podría usar estás máquinas para la decodificación de mensaje encriptados. Así cómo mayor vigilancia de los datos, ya que sólo una computadora cuántica puede permanecer cuántica hasta el momento de ver qué está ocurriendo. De esta manera se puede percibir si alguien está viendo nuestra información. Otra aplicación es el modelado de sistemas cuánticos partículas, con campos de aplicación en la farmacéutica. Para predecir el comportamiento del compuesto tiempo real. O diseño de nuevos superconductores. Fabricación de sensores mucho más pequeños, sensibles y precisos.
5.7 Desventajas Una computara cuántica sólo permanecerá cuántico hasta que abramos la caja como en el caso del gato Schrödinger. Entonces necesitamos mantener completamente aislado nuestro sistema, el inconveniente es que en este mundo no es posible logra eso. Ya que cómo está formado de átomos, todo interactúa con todo. Su construcción es demasiado costosa, además de que sus dimensiones se asemejan a los ordenadores de antaño. El hardware para controlarlas es muy lento, aunque lográramos fabricarles, las limitaciones de Hardware con quitaría velocidad. A pesar de todo, las computadoras cuánticas están aún lejos de nuestro alcance, ya que se encuentran fase prototipo, y sólo cuentan con unos cuantos cubits,
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5.8 Ventajas Velocidades increíbles de procesamiento, puesto que una computadora actual, resuelve una tarea en una serie pasos. Por ejemplo si quisiéramos que una máquina actual resolviera un laberinto, se pondría a probar cada solución, una por una hasta dar la solución correcta, mientras que una máquina cuántica es capaz de resolver todos los casos al mismo tiempo. Podrían simular situaciones reales que al momento no se podrían obtener con máquinas actuales. Modelado cuántico del comportamiento de materiales. Abre el paso a nuevas tecnologías y formas de pensar.
5.9 Conclusión Estás tecnologías teóricas pueden abrirnos el camino a una nueva revolución informática, podría abrir caminos inalcanzables como en este momento, lograríamos dispositivos ligueros, más rápidos y más complejos, y, sobre todo, pequeños, que sin duda, cambiarían nuestra forma de percibir el mundo y fenómenos.
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6 GLOSARIO
Alótropo
Propiedad de algunos elementos químicos de poseer estructuras químicas diferentes. Las moléculas formadas por un sólo elemento y poseen distinta estructura molecular se llaman alótropos.
Spin
Momento angular intrínseco, se refiere a una propiedad física de las partículas subatómicas, por la cual toda partícula fundamental tiene un momento angular intrínseco de valor fijo.
Mecánica cuántica
Describe un su visión más ortodoxa, como en cualquier sistema físico y por tanto, en todo el universo, donde existe un multiplicidad de estados.
Bit
Un digito de sistema de numeración binario, acrónimo de Binary Digit.
Transistor
Unión de tres materiales semiconductores, con tres terminales, usado para amplificación de
Isótopo
Se denomina isótopos a los átomos de mismo elemento cuyos núcleos tiene una cantidad diferente de neutrones, y por lo tanto, difieren el numero másico
Matraz
Recipiente de vidrio con base esférica, y un cuello recto y estrecho.
7 Bibliografía http://blogs.creamoselfuturo.com/nano-tecnologia/2011/06/20/nanotransistores/ http://www.tendencias21.net/Crean-un-nanotransistor-que-sustituira-al-silicio-en-2025_a1430.html http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.100.206803 www.wikipedia.com youtube.com
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