El otro día realizamos un experimento poco habitual en nuestro acelerador de partículas. Como ya os he contado en otras entradas por lo general solemos usar los haces de iones para analizar muestras y extraer información sobre ellas: de qué están hechas, qué impurezas tienen, qué espesor, etc. Sin embargo, el otro día recibí una llamada de una antigua compañera de tesis para proponerme destruir muestras. Evidentemente le dije que sí de inmediato porque si analizando materiales somos buenos… ¡destruyendo no tenemos rival!  Y es que si algo tienen las partículas aceleradas es energía, y esa energía puede hacer mucho daño si está bien dirigida.

Transistor de alta potencia con puerta doble, visto con un microscopio electrónico

La idea del experimento era reproducir las condiciones a las que van a estar sometidos ciertos circuitos electrónicos en el espacio. En particular, queríamos saber cómo empeoraba el funcionamiento de ciertos transistores de alta potencia que son muy empleados en satélites y que son las piezas clave de toda la electrónica que conocemos. Estos transistores están hechos de nitruro de galio (GaN), un material del que ya os he hablado en otra entrada porque dió el premio Nobel en 2014 a sus tres principales inventores. Gracias  a la nanotecnología este tipo de dispositivos puede hacerse con dimensiones realmente pequeñas, pero eso significa también que pueden dañarse más fácilmente.

¿Con qué tipo de problemas se enfrentan estos transistores en el espacio?

Llamarada solar emitiendo protones de alta energía (foto de la NASA)

Pues bien, fuera de la Tierra no hay atmósfera protectora, de forma que los satélites sufren el bombardeo constante de partículas del Sol. Este bombardeo está parcialmente apantallado por el campo magnético de nuestro planeta, que es un escudo fenomenal, pero a pesar de eso hay tormentas solares especialmente fuertes donde se emiten electrones y protones de alta energía que pueden atravesar nuestros satélites. Estas tormentas son capaces de estropear temporalmente nuestros sistemas de comunicación así que es importante construir dispositivos que las aguanten lo mejor posible.

Las partículas cargadas como los protones tienen un alto poder de penetración y también una considerable capacidad para dañar los materiales. Eso se debe a que, en la interacción con la materia los protones pueden romper enlaces atómicos (quitando electrones de su sitio) y también desplazar átomos por colisiones nucleares directas (creando un tipo de defecto llamado vacante). Este tipo de interacción entre el ión y la materia se conoce como fuerza de frenado.

Daño producido por protones a 2 MeV: nuclear y electrónico

Una forma fácil de probar nuestros transistores antes de que vayan al espacio es bombardearlos en un acelerador de iones porque podemos someterlos a conciones similares a las de una tormenta solar. Y eso es precisamente lo que hemos hecho. Hemos irradiado nuestros transistores con protones a 2 MeV. Un protón a esa energía puede atravesar casi 30 micras de material, así que estamos más que seguros de que se comerá nuestro transistor de unos pocos nanómetros. Eso sí, los transistores también son muy pequeños lateralmente así que es importante apuntar bien a la zona que queremos, y para hacer eso nos servimos de un fenómeno físico conocido como ionoluminiscencia.

Ionoluminiscencia azul producida por protones en un cuarzo

A diferencia de los fotones, las partículas cargadas como los iones no se pueden ver directamente, así que para determinar la posición y el tamaño del haz es preciso usar la ionoluminiscencia, que es la emisión de luz visible inducida por iones. Este fenómeno se da en ciertos materiales como el cuarzo, el zafiro, y también el nitruro de galio, en los que existen transiciones electrónicas que coinciden con nuestro rango visible. Cuando los iones chocan contra estos materiales excitan sus electrones y activan esos canales de emisión de luz (por desexcitación). El color, por tanto, depende del material.

Así que antes de estropear nuestros transistores preparamos un haz con el tamaño que deseamos irradiar. Como los transistores se construyen en obleas comerciales que repiten patrones litográficos es fácil saber donde empiezan y donde acaban. Usando los distintos elementos de focalización que nos brinda el acelerador (lentes electromagnéticas, cuadrupolos, y rejillas de colimación) definimos un área que coincida con el tamaño de nuestro patrón y luego colocamos la muestra en esa posición.

Nuestros transistores antes y durante el proceso de irradiación (con ionolumisencia)

Lo que queda después es cuestión de tiempo. Cuantos más protones lances, más daño producirás, y peor funcionarán los transistores después. Como lo que nos interesaba ver es el umbral de «dolor» de nuestros transistores decidimos probar distintas dosis, desde muy bajas hasta muy altas, y por muy altas quiero decir que mandamos más protones por centímetro cuadrado que estrellas hay en la Vía Láctea. Vamos, que nos quedamos a gusto protonando =).

Aún no os puedo decir cuántos transistores han sobrevivido porque todavía estamos haciendo las medidas eléctricas, pero sólo la imagen de las pistas de litografía iluminadas por nuestros protones merece la entrada, ¿no os parece?

@DayInLab

Nota de 2017: El 3 de septiembre de 2017 se detectó una alta actividad solar que produjo, además, la eyección de masa coronal un día después. Como consecuencia de esta actividad, el Space Weather Prediction Center detectó un enorme aumento en el flujo de protones (> 10 MeV), casi 1000 veces superior al normal. Es ante este tipo de eventos para el que intentamos preparanos con estos experimentos.

Aumento del flujo de protones en el evento del 4 de septiembre. (Fuente: SWPC)