La manipulación nanométrica es lo que hoy nos permite tener en una sola mano un teléfono inteligente que no llega a los 500g, y es capaz de hacer la mayoría de las tareas rutinarias que puede hacer un computador. También ha permitido integrar tecnologías como los Quantum Dots (puntos cuánticos), utilizados en pantallas QLED por sus propiedades ópticas ajustables a escala nanométrica.
Procesos como la litografía ultravioleta extrema, conocida como UVE o EUV, permiten la fabricación de CPUs, GPUs y NPUs en espacios donde difícilmente podríamos imaginarlo.
Hoy ya se fabrican chips de 3 nanómetros, gracias a la empresa taiwanesa TSMC y a las máquinas desarrolladas por la holandesa ASML. A medida que el nodo tecnológico se hace más pequeño, surgen ventajas importantes:
- Más transistores en el mismo espacio, lo que mejora la potencia de cómputo.
- Menor consumo energético, ideal para dispositivos móviles o servidores eficientes.
- Mayor rendimiento por vatio, clave para inteligencia artificial, procesamiento de datos y videojuegos.
Por lo anterior, que exista manipulación a nivel nanométrico en el desarrollo de pantallas no debería sorprender. Hoy en día, gracias al control de electrones en escalas muy pequeñas —sí, nanométricas— se han desarrollado componentes con propiedades ópticas y electrónicas ajustables. En ese contexto, los quantum dots (puntos cuánticos) destacan como una herramienta clave en diversas aplicaciones tecnológicas actuales.
La manipulación de materiales como los nano cristales —llamados así por su pequeño tamaño, del orden de unos pocos nanómetros (entre 2 y 10 nm en el caso de los puntos cuánticos, ver gráfica)— permite observar propiedades físicas que no se presentan en materiales convencionales.
En este tipo de estructuras se manifiesta un fenómeno que la ciencia denomina confinamiento cuántico, el cual permite controlar aspectos como la energía de emisión o el color de la luz que emiten. Este comportamiento ha hecho posible su uso en pantallas, sensores, sistemas de iluminación y otros dispositivos especializados.
Comprender qué son los puntos cuánticos, cómo funciona el fenómeno del confinamiento cuántico, y por qué se les asignan propiedades físicas o químicas tan particulares, permite tener una mejor visión y comprensión de su rol en la tecnología de pantallas.
Comprendiendo los Quantum Dots (puntos cuánticos) y el confinamiento cuántico.
Tal como se planteó más arriba, los puntos cuánticos (quantum dots, QDs) son nanocristales semiconductores con tamaños entre 2 y 10 nanómetros. Por su pequeño tamaño, dispone de propiedades únicas derivadas de la mecánica cuántica.
Una de nuestras experiencias con los puntos cuánticos | Imagen Créditos: UNAM
Los electrones, al estar confinados en estas pequeñas estructuras cristalinas (fenómeno de confinamiento cuántico), generan ciertos niveles de energía discretos similares a los presentes en los átomos. Esta similitud ha llevado a denominar a los puntos cuánticos como “átomos artificiales”, y su nombre se origina debido a esta dinámica cuántica muy similar.
La analogía con una cuerda de guitarra
Veamos este punto desde un punto de vista más cotidiano: Imaginemos una cuerda de guitarra
Se sabe que el tocar la cuerda de la guitarra vibra a cierta frecuencia, y produce un sonido particular. En la medida que la cuerda es más corta, las frecuencias tienen que ser más altas, generando sonidos más agudos. En el caso de que la cuerda aumente su longitud, su sonido será más grave y con menor frecuencia.
Ahora bien, no cualquier vibración de la cuerda es posible: la cuerda solo puede oscilar en ciertos patrones, lo que genera una serie de notas específicas —no un sonido continuo, sino discretos.
Asimismo, cuando el electrón está confinado dentro de un punto cuántico, no tiene la misma libertad que en un material convencional. Ya que los materiales nano cristalinos, están limitados por los bordes de la estructura cristalina, tal como la cuerda de la guitarra atada en los extremos.
Si se reduce el tamaño del punto cuántico, el electrón tiene menos espacio para «moverse», está más confinado, y por ende solo puede usar niveles de energías más alejados. Es decir, mientras más minúsculo es el punto cuántico (Quantum Dots), mayor será la energía mínima a la que puede llegar el electrón, y más energía se necesita para que este cambie de nivel.
Continuando con la analogía con la guitarra, ocurre algo similar al reducir la longitud de la cuera de la guitarra. Las notas posibles se separan más entre sí y la más baja que puede producirse también es más alta.
El entender cómo el control del tamaño de la banda prohibida (la que confina más o menos el electrón), define qué color es el que se emite, ha hecho posible la aparición de las pantallas tipo QLED (Ver figura anterior).
En ellas, los puntos cuánticos convierten luz LED azul en verde o rojo con gran pureza, según su tamaño, generando una amplia gama cromática, mayor brillo y eficiencia energética.
Aplicaciones más allá de la pantalla QLED
Más allá de las pantallas, los puntos cuánticos se están estudiando para:
- Usos en energía solar,
- bioimagenología,
- iluminación avanzada
- Computación cuántica.
En materia de la computación cuántica, los estudios muestran que el espín de los electrones confinados podría emplearse como qubit, la unidad básica de esta ciencia.
Este enfoque está respaldado por modelos teóricos como la ecuación de Brus y el modelo de la partícula en una caja, que permiten predecir cómo varía la energía con el tamaño del nanocristal.
Fuentes: Fomtechnologies / UNAM / Libretexts / Samsung /
