En un trabajo conjunto, científicos de la Argentina, España, Alemania y los Estados Unidos estudian el comportamiento físico de electrones presentes en materiales diminutos

Muchas veces, para entender la ciencia tenemos que poner en práctica la imaginación. Como cuando tratamos de comprender ese universo infinitamente pequeño que estudia la nanotecnología, algo así como la ciencia de lo diminuto, de lo imperceptible a los ojos.
"Nano" es un prefijo griego que significa "mil millones": un nanómetro representa la mil millonésima parte de un metro. Siguiendo con las equivalencias, un nanómetro es igual al ancho de tres átomos, y diez nanómetros son 10.000 veces más pequeños que el diámetro de... un cabello humano.
En ese universo de película trabajan científicos en todo el mundo, que de distinta manera “juegan” con los elementos básicos de la naturaleza, los átomos y las moléculas, casi en el límite de una fábrica soñada por fanáticos de la ciencia ficción hace no tantos años. Y un capítulo de esta “fábrica” lo cuentan quienes estudian el comportamiento físico de estos “materiales mínimos”, el paso previo indispensable para su posterior uso tecnológico.
“La nanoelectrónica disminuye las dimensiones de la electrónica: si la microelectrónica trabaja con dimensiones que son mil veces más chicas que un milímetro, la nanoelectrónica trabaja en dimensiones mil veces más chicas que el micro, o sea que los dispositivos son un millón de veces más chicos que un milímetro”, comenzó a explicar el Dr. en Física Pablo Bolcatto desde su pequeña “fábrica virtual”, con sede en la Facultad de Ingeniería Química (FIQ) de la Universidad Nacional del Litoral (UNL).
Allí se encarga de modelizar el comportamiento físico de los electrones presentes en estructuras diminutas, a través de una serie de ecuaciones matemáticas capaces de indicar cómo pueden responder ante determinados estímulos. “La física de los electrones a escala microscópica es esencialmente la misma que a escala macroscópica. Pero la diferencia es que en dimensiones nano se trabaja con una física cercana a la atómica”, aclaró.

Por qué la Física
Pensemos –otra vez— en las enormes diferencias que separan a las computadoras que hoy utilizamos, con respecto a aquellas que comenzamos a ver de manera masiva pasados los años 90. La memoria de las ya históricas 286 se dobló hoy varias veces, y en el mismo “espacio” tenemos ordenadores capaces de generar y almacenar muchísima más información.
Pero el estudio de esos nuevos materiales –utilizados para aplicaciones informáticas, por ejemplo— implica también el estudio de sus propiedades físicas: “No hay sólo una brecha tecnológica en hacer cosas cada vez más chiquititas sino que también aparecen propiedades físicas nuevas. El que quiere estudiar nanoelectrónica debe estudiar primero los fenómenos físicos elementales de los nanomateriales”, dijo Bolcatto. Para eso, agregó, “hay que aprender de la física básica”.
En ese núcleo se centra el trabajo que encaró Bolcatto junto con Paula Giudici, una argentina que actualmente trabaja en el Laboratorio de Propiedades Ópticas que dirige el Doctor C. Thomsen en la Universidad de Berlín, Alemania. Participan también del estudio César Proetto, del Centro Atómico Bariloche; Fernando Reboredo, del Laboratorio Nacional de Livermore (USA); y Alejandro Goñi, de la Universidad de Barcelona.
Concretamente, los investigadores indagan en el estudio de los electrones, una de las partes constitutivas del átomo fundamentales en la generación de la electricidad. Y, particularmente, se concentran en el estudio de gases de electrones utilizados como prototipo para estudios experimentales.
“Un objetivo de nuestro trabajo es saber cómo se mueven esos electrones si se aplica un campo eléctrico”, explicó Bolcatto. “Todo lo que ves cuando grabás un archivo, cuando escuchás música, por ejemplo, está constituido por circuitos por los cuales circula corriente: si vos podés controlar ese circuito y podés imaginarte nuevos circuitos –a través de ciertos dispositivos como transistores, que son en definitiva materiales semiconductores— ampliás de una manera muy grande las posibilidades de la electrónica”, indicó.
Bolcatto dirige además un proyecto de investigación subvencionado por la UNL, denominado “Propiedades electrónicas e inestabilidades magnéticas en gases de electrones bidimensionales”, en el marco de las convocatorias de los Cursos de Acción para la Investigación y el Desarrollo (CAI+D).

Un trabajo de hormiga
Aunque desde diferentes lugares del mundo, el trabajo se complementa: Giudici, Goñi y Thomsen trabajan en la experimentación (“tocan y ven las estructuras”); Bolcatto, Proetto y Reboredo se encargan de modelizar el comportamiento de los electrones para comprobar si las ecuaciones propuestas coinciden con la “realidad” de las muestras.
En Alemania “trabajamos con estructuras que son del orden de los nanometros –explicó Giudici, quien recientemente estuvo realizando una visita de cooperación científica en la UNL—.Y lo que vemos en particular son las propiedades de los electrones en esas estructuras”. Pero ¿cómo estudiar los comportamientos de los electrones de algo que, simplemente, no puede verse?
El proceso es muy complejo, tanto que las muestras son fabricadas por centros específicos, y son analizadas con diversas técnicas y equipos de alta tecnología. Giudici trabaja con técnicas ópticas, a partir de la interacción de la luz proveniente de láseres. Otra técnica posible es la de microscopios que trabajan con presiones intergalácticas (muy, muy bajas) y temperaturas del orden de los 270 grados bajo cero.
Las muestras son especies de “sandwichs diminutos”: entre dos materiales aislantes se encuentra contenido el material semiconductor, y allí los electrones que interesan particularmente a los investigadores de este estudio.
Conocer el comportamiento físico de esos electrones es una puerta abierta al desarrollo de nuevas tecnologías, ya que “al conocer cómo se comportan puede controlarse el material y saber en qué puede ser utilizado”, explicó Giudici.
“En realidad no nos interesa si circulan o no circulan los electrones, ni las propiedades de transporte eléctrico; pero sí si tienen un orden magnético o no bajo determinadas circunstancias. Si sabés eso vas a saber cómo controlarlo”, explicó Bolcatto. “En realidad trabajamos sin pensar en la aplicación directa de los estudios –agregó—, pero esta investigación básica es necesaria para que otro pueda utilizarla con fines prácticos”, finalizó.

Por Romina Kippes (Ciencia y Técnica UNL).