La informática de próxima generación sustituye los transistores por puntos cuánticos

Los científicos son pioneros en la creación de moléculas de valencia mixta en dispositivos automatizados de puntos cuánticos para un funcionamiento más rápido a temperatura ambiente, superando los límites del transistor.

Los científicos están adoptando un enfoque alternativo a la informática, reemplazando componentes convencionales llamados transistores con moléculas de valencia mixta para construir autómatas celulares de puntos cuánticos.

«[This] «Es un modelo informático clásico de bajo consumo», escribieron los investigadores en su artículo. Estancia Publicado en Revista de química computacional. «Las moléculas de valencia mixta pueden proporcionar una escala nanométrica [computing] Dispositivos que admiten velocidades de conversión de terahercios [compared to current gigahertz in transistor-based processors] Y operar a temperatura ambiente.

Este alejamiento de los transistores es necesario ya que las mejoras en las computadoras basadas en transistores se han ralentizado significativamente en los últimos años debido a limitaciones físicas (sólo se pueden instalar unos pocos transistores en un chip) y a la disminución del rendimiento.

Moléculas de valencia mixta

Un contendiente interesante en el campo de los sistemas informáticos alternativos incluye aquellos construidos sobre moléculas de valencia mixta, que tienen electrones externos conocidos como electrones de valencia que son capaces de «saltar» alrededor de la molécula en respuesta a un campo eléctrico externo.

Este comportamiento surge porque de todos los electrones que componen la molécula, son los menos unidos al núcleo atómico. Esto lo hace más sensible a los cambios en su entorno, como los campos electromagnéticos aplicados o el impacto de una molécula o átomo cercano.

En una computadora basada en moléculas de valencia mixta, las unidades básicas son las propias moléculas, donde la información se almacena mediante la posición del electrón de valencia dentro de la molécula, de manera similar a los bits en las computadoras tradicionales.

«La idea básica es manipular estados electrónicos locales (u orbitales moleculares) en ‘células’ no para conmutar la corriente como ocurre con los transistores, sino para representar información basada en la carga molecular local», explica David Drabold, profesor distinguido del Departamento de Física y Astronomía de la Universidad de Ohio, que no participó en el estudio. «El concepto es adecuado para la computación de propósito general, a diferencia de la computación cuántica».

Para comprender qué moléculas servirían como los mejores «bits», los científicos dirigidos por Enrique Blair, profesor asociado del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de la Universidad de Baylor en Texas, realizaron un análisis teórico de las propiedades de varias moléculas de valencia mixta, como como catión molecular de hidrógeno (H₂+), anión de hidrógeno molecular (H₂-), y previamente se han propuesto en la literatura varias moléculas de carbonilo catiónicas y aniónicas, tales como alilo y dietilenos, para este propósito.

El funcionamiento de una molécula de valencia mixta como unidad informática depende de qué tan sensibles sean sus electrones de valencia al campo eléctrico, así como del grado en que cambia su estado cuando la molécula de valencia mixta interactúa con iones cercanos (moléculas o átomos con extra). elementos o electrones faltantes.

La influencia de otro ion ubicado aleatoriamente puede afectar la posición del electrón de valencia, cómo se comporta y el tamaño del campo eléctrico necesario para mover el electrón de un estado a otro, un comportamiento que es crítico para las funciones básicas de estas computadoras. dispositivos.

“Cuando es iónico [mixed-valence] Los investigadores explicaron que las moléculas se utilizan como autómatas celulares de puntos cuánticos y los contadores externos producidos durante la configuración del dispositivo se ubican aleatoriamente cerca de los dispositivos. “Estas cargas perdidas ubicadas al azar pueden afectar […] Operar el dispositivo de manera incontrolable e impredecible.

Zwitteriones al rescate

Por lo tanto, los científicos utilizaron modelos computacionales para estudiar la dinámica y el comportamiento de los electrones de valencia cuando están bajo la influencia de un ion cercano en moléculas de valencia iónicas conocidas. Descubrieron que los electrones de valencia en las moléculas mencionadas anteriormente estaban en realidad fuertemente influenciados por los iones de su entorno, lo cual es un problema porque si los bits no pudieran mantener su estado, la computadora no funcionaría de manera confiable.

Los zwitteriones se han explorado como una posible solución a este problema, en comparación con otras moléculas candidatas que existen como moléculas cargadas, tienen carga tanto positiva como negativa ubicadas dentro de la misma molécula en ubicaciones bien definidas, lo que da como resultado una carga neutra neta.

«Diseñamos dos tipos de moléculas neutras zwitteriónicas con contadores incorporados», explicaron los investigadores. «Por diseño, el contador incorporado evita sesgar cualquier estado del dispositivo molecular, porque está ubicado en el centro de la molécula».

Como resultado de la ubicación de los electrones de valencia, es menos probable que estos zwitteriones atraigan iones externos aleatorios que pueden ocurrir cerca del bit molecular, lo que les permite retener mejor la capacidad de sus electrones para responder como se desee. camino.

«Éste es un enfoque muy prometedor e innovador para superar las limitaciones de la tecnología informática tradicional, que parece estar acercándose a los límites físicos fundamentales para un mayor desarrollo», afirmó Drabold. «La esperanza está en dispositivos con alta densidad y baja generación de calor, ambos santos griales del nuevo diseño de computadoras».

Aún se necesitan pruebas en el mundo real

Aunque los resultados del equipo son muy prometedores, todavía queda mucho trabajo experimental y computacional por delante para investigar cómo se comportan estos bits moleculares en un entorno del mundo real. La viabilidad dependerá de qué tan bien funcionen los zwitteriones propuestos y, a medida que se implementa cualquier tecnología a gran escala, pueden surgir muchas dificultades imprevistas.

“La limitación práctica de su enfoque es que se limitan a [computational] «Las moléculas, aunque los materiales reales serían, por supuesto, tridimensionales, probablemente implicarían efectos de interacción eléctrica de largo alcance que quedan oscurecidos por los cálculos moleculares», comentó Drabold. «Por lo tanto, el siguiente paso puede implicar un análisis más preciso de su esquema computacional en materiales reales».

«Para cualquier tecnología nueva, existen barreras para su implementación práctica», continuó Drabold. «¿Qué moléculas deberían usarse? ¿Cuál es el proceso de crecimiento? ¿Cuáles son los efectos de las impurezas? ¿Cómo se pueden garantizar errores suficientemente pequeños en las temperaturas del proceso? » Los autores han considerado sólo un problema importante: el problema del «ruido iónico».

Por ahora, el proyecto es un excelente punto de partida, ya que los investigadores esperan que haya otras partículas zwitteriónicas que podrían ser más adecuadas para este propósito.

Aunque una computadora basada en partículas de valencia mixta aún está lejos de estar completa, esta investigación es un paso importante hacia la creación de dispositivos que podrían ser más potentes, más pequeños y más eficientes energéticamente que los que tenemos actualmente.

Referencia: Enrique P. Blair, et al., Estudios preliminares de efectos contrarrestantes en autómatas celulares de puntos cuánticosRevista de Química Computacional (2023). doi: 10.1002/jcc.27247

Crédito de la imagen destacada: Shubham Dhage en Unsplash