Serie "El nuevo plan de Japón como gran potencia en recursos mediante la innovación de procesos" — Entrega n.º 2 ← Entrega anterior: [Prólogo: ¿Puede Japón convertirse en una nueva gran potencia en recursos?]

Existe una sustancia que los expertos llaman el «semiconductor definitivo». Se trata del semiconductor de diamante.

Posee propiedades físicas que superan con creces al silicio actual y a los más recientes SiC y GaN (carburo de silicio y nitruro de galio), y si llegara a producirse en masa, las reglas del juego de los aparatos electrónicos que nos rodean cambiarían desde sus cimientos.

En esta entrega analizaremos ese impacto desde tres ángulos: el «smartphone», el «vehículo eléctrico (EV)» y el «ordenador cuántico».

1. Smartphones: los conceptos de «calentamiento» y «carga» desaparecen

Las frustraciones de los smartphones actuales —se calientan, la batería no dura, el cargador es un estorbo— quedarían resueltas de raíz.

Problema Smartphone actual (silicio) Smartphone con semiconductor de diamante
Calentamiento El cuerpo se calienta al jugar o grabar vídeo y el rendimiento cae Conductividad térmica 5 veces mayor que el cobre. El cuerpo casi no se calienta y mantiene siempre el máximo rendimiento
Duración de batería Pérdidas en forma de calor durante la conversión de energía Las pérdidas de conversión se acercan a cero y la autonomía se amplía considerablemente
Velocidad de conexión El 5G aumentó la velocidad, pero también el consumo energético Logra bajo consumo incluso con las altísimas frecuencias del 6G en adelante
Cargador Los cargadores rápidos son grandes y pesados Resistencia extrema a la alta tensión: posible un cargador ultrarrápido del tamaño de una goma de borrar

Aquí está la revolución

Desaparece la idea de que «cuanto más potente es el smartphone, más se calienta». Si ya no hacen falta ventiladores ni láminas disipadores de calor, los smartphones podrán ser más delgados y ligeros, o bien aprovechar ese espacio para una batería más grande.

2. Vehículos eléctricos: superan por completo a los coches de combustión

Se convierte en el as bajo la manga para resolver de un golpe los dos grandes cuellos de botella de los EV: la autonomía y el tiempo de carga.

Problema EV actual (Si/SiC) EV con semiconductor de diamante
Autonomía Pérdidas de conversión al suministrar energía al motor Eficiencia de conversión incomparablemente mayor; con la misma batería, la autonomía aumenta un 10-20 % o más
Tiempo de carga Incluso con carga rápida, entre 30 minutos y 1 hora Compatible con altísimas tensiones (varios miles de V): carga completa en pocos minutos, como repostar gasolina
Tamaño de componentes Se necesita un «inversor» del tamaño de una fiambrera Miniaturizable hasta el tamaño de una yema del dedo. Más espacio interior y carrocería más ligera
Refrigeración Requiere sistema de refrigeración por agua Basta con refrigeración por aire. Sin líquido refrigerante ni bomba: mantenimiento mínimo

Especificaciones asombrosas

Investigaciones de la Universidad de Saga muestran que un semiconductor de diamante de apenas 1 pulgada de diámetro (unos 2,5 cm) puede controlar la electricidad de 300 000 hogares. «Un chip pequeño para una potencia descomunal»: eso es la magia del diamante.

Incluso la electrificación de camiones de larga distancia y aviones pequeños empieza a parecer realista.

3. Ordenadores cuánticos: la «calculadora del futuro» que cabe en tu escritorio

Aquí llegamos a la verdadera grandeza del diamante, conocida solo por los iniciados. En realidad, el semiconductor de diamante y el ordenador cuántico son como hermanos: mismo material, uso diferente.

Sin necesidad de enormes refrigeradores

Los ordenadores cuánticos actuales (como los de superconductores de Google o IBM) requieren enormes refrigeradores que los enfrían hasta casi el cero absoluto (-273 °C), lo que supone un gran obstáculo para su uso práctico.

El enfoque con diamante (método de espín), en cambio, tiene características revolucionarias:

  • Funciona a temperatura ambiente: los electrones atrapados en el «centro NV», un defecto especial del cristal de diamante, pueden mantener su estado cuántico incluso a temperatura ambiente
  • Miniaturizable: puede reducirse al tamaño de un servidor o incluso de un ordenador de escritorio

Es decir, el «ordenador cuántico que solo existe en laboratorios especializados» podría convertirse en algo que cabe en el escritorio de una oficina o en un centro de datos.

El «centro NV»: el defecto mágico

La clave no está en un cristal perfecto, sino en un par formado por una «impureza (nitrógeno)» y un «hueco» introducidos deliberadamente. Los electrones se confinan en esta microestructura llamada centro NV y, controlando su espín (rotación), se realizan los cálculos.

  • Semiconductor de potencia: se usa el diamante para conducir electricidad de forma eficiente
  • Ordenador cuántico: se usa el diamante para confinar y manipular electrones

Así, la tecnología japonesa de fabricación de diamante artificial (control de impurezas a nivel atómico) se convierte en la base que sustenta ambos campos.

Extra: sensores cuánticos

Los electrones en el diamante también reaccionan con sensibilidad a campos magnéticos y variaciones de temperatura, lo que los convierte en sensores de altísima precisión.

  • Medicina: detectan los débiles campos magnéticos del cerebro y el corazón, permitiendo diagnosticar enfermedades con más facilidad que con una resonancia magnética
  • Prevención de desastres: detectan mínimas variaciones en la corteza terrestre o movimientos del magma

Conclusión: desaparece el «sacrificar rendimiento para ahorrar energía»

Cuando el semiconductor de diamante se generalice, desaparecerá el concepto de «sacrificar rendimiento para ahorrar energía», que era el gran principio de la electrónica moderna.

  • Smartphones: jugar a la máxima calidad gráfica o editar vídeo todo el día sin preocuparse por la carga
  • EV: se acaban las «esperas de carga»; camiones de larga distancia y aviones también se electrifican
  • Ordenadores cuánticos: del laboratorio a la oficina

Y Japón posee conocimientos de nivel mundial en síntesis de diamante artificial. Si Japón controla esta tecnología, equivale a tener la última palabra sobre el rendimiento del hardware de próxima generación.

Significa obtener a la vez la hegemonía energética (EV y redes eléctricas) y la hegemonía en procesamiento de información (computación cuántica). Aunque Google o Intel tengan los planos, si solo Japón puede fabricar las obleas de diamante que sirven de base, el resultado está decidido.

Avance de la próxima entrega

Sin embargo, ante la pregunta «¿por qué no se produce en masa de inmediato?», hay razones de peso por las que eso no ocurre sin más.

El hecho de que el diamante sea «la sustancia más dura que existe» es, en sí mismo, el mayor obstáculo para su producción en masa.

En la entrega n.º 3 veremos los tres muros que frenan la producción masiva de diamante artificial, la idea japonesa del «diamante sin mecanizar» que intenta derribarlos, y algunas aplicaciones sorprendentes más allá de los semiconductores.

→ Próxima entrega: [Los muros de la producción masiva de diamante artificial y sus aplicaciones más allá de los semiconductores]