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El enfriamiento criogénico de electrones cuánticos en chip conduce a computadoras que consumen 10 veces menos energía

Investigadores de UT Arlington han creado el primer dispositivo electrónico que puede enfriar electrones a -228 grados Celsius (-375F), sin ningún tipo de enfriamiento externo. El chip en sí permanece a temperatura ambiente, mientras que un dentro del dispositivo enfría los electrones a temperaturas criogénicas. ¿Por qué es esto emocionante? Porque la excitación térmica (calor) es, con mucho, el mayor problema cuando se trata de crear computadoras de alto rendimiento y ultrabajo consumo de energía. Estos electrones criogénicos y cuánticos bien enfriados podrían permitir la creación de dispositivos electrónicos que consuman 10 veces menos energía que los dispositivos actuales, según los investigadores.

Te preguntarás qué es un pozo cuántico. En esencia, un pozo cuántico es una brecha muy estrecha entre dos materiales semiconductores. Los electrones rebotan felizmente a lo largo de la pieza de semiconductor cuando golpean el hueco (el pozo). Solo los electrones que tienen características muy específicas pueden cruzar la frontera. En este caso, solo se permite el paso de electrones con muy baja energía (es decir, electrones fríos), mientras que los electrones calientes se envían de regreso de donde vinieron. (Si tiene una mentalidad técnica, el pozo se crea intercalando un semiconductor de banda estrecha entre dos semiconductores con una banda prohibida más amplia; es básicamente el equivalente cuántico del cuello entre las dos bombillas de un reloj de arena).

Pozo cuántico de UTA

Un diagrama que ilustra el diseño del pozo cuántico de UTA

Una vez que tenga una corriente de electrones fríos que atraviesen el pozo cuántico, puede agregar otros componentes al circuito, como los transistores. En este caso, para demostrar que su pozo cuántico estaba produciendo electrones fríos, los investigadores de UT Arlington crearon algunos transistores de un solo electrón (SET), transistores muy eficientes que son muy sensibles a la excitación térmica y, por lo tanto, generalmente deben enfriarse criogénicamente con líquido. helio. A pesar de estar a temperatura ambiente, los SET funcionaron bien, todo gracias a los electrones de 45 Kelvin (-228C). El chip que se muestra en la parte superior de la historia, creado por los investigadores de la UTA, contiene un montón de pozos cuánticos y SET.

Seb en IBM Research, revisando una de las computadoras cuánticas de IBM

Ese soy yo, revisando una de las computadoras cuánticas de IBM.

En el futuro, ahora se convierte en una cuestión de integrar estos pozos cuánticos con dispositivos electrónicos reales. «Cuando se implementan en transistores, estos resultados de la investigación podrían reducir potencialmente el consumo de energía de los dispositivos electrónicos en más de 10 veces en comparación con la tecnología actual». dice Usha Varshney de la National Science Foundation, que financió la investigación de UTA. Debido a que todas las facetas de la informática están interconectadas por las leyes de la física, una reducción de 10 veces en el consumo de energía podría afectar casi todo, desde la duración de la batería hasta el tamaño y peso del dispositivo y el rendimiento máximo. [Research paper: doi:10.1038/ncomms5745 – “Energy-filtered cold electron transport at room temperature”]

Los investigadores también señalan que una mayor investigación sobre la construcción de pozos cuánticos podría resultar en una corriente de electrones con (es decir, cero kelvin). Como hemos comentado antes, pueden suceder cosas extrañas y maravillosas cuando se baja hacia el cero absoluto, entre ellas la construcción de algunas computadoras increíblemente poderosas y energéticamente eficientes.

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