Dentro de las máquinas de fabricación de chips más avanzadas se produce algo increíble: pequeñas supernovas

Identificar una supernova es un acontecimiento que los astrónomos suelen celebrar con entusiasmo. Y no es para menos si tenemos en cuenta que son uno de los sucesos más violentos con los que podemos toparnos en el cosmos. Conocerlas mejor es muy importante porque puede ayudarnos a entender con más precisión cómo son las últimas etapas de la vida de las estrellas masivas, y también los mecanismos que explican cómo el material originado por la síntesis estelar puede dar lugar a nuevos sistemas estelares.

Las herramientas matemáticas que manejan los astrofísicos actualmente describen las supernovas como el resultado inevitable del agotamiento de los procesos de fusión nuclear que tienen lugar en el núcleo de las estrellas masivas. Durante la etapa que se conoce como secuencia principal las estrellas obtienen su energía de la fusión de los núcleos de hidrógeno. A medida que se va consumiendo este elemento químico la estrella comienza a producir núcleos de helio, y, como es lógico, su composición comienza a evolucionar.

Durante este proceso se libera una enorme cantidad de energía y la estrella se ve obligada a reajustarse continuamente para mantener el equilibrio hidrostático, un fenómeno que es el resultado de la coexistencia de dos fuerzas opuestas capaces de compensarse. Una de ellas es la contracción gravitacional, que comprime la materia de la estrella, apretándola sin descanso. Y la otra es la presión de radiación y de los gases, que es el fruto de la ignición del horno nuclear y que intenta que la estrella se expanda.

Las pequeñas supernovas de los equipos de litografía de ultravioleta extremo

Como os hemos anticipado desde el titular, este artículo no va solo de supernovas; también lo protagonizan los semiconductores. A priori podemos intuir que estos eventos cósmicos y los circuitos integrados no tienen nada que ver, pero, curiosamente, sí tienen algo en común. Este es el motivo por el que me ha parecido una buena idea empezar este texto repasando qué es una supernova y por qué se producen. De lo contrario no podríamos entender en toda su extensión la idea en la que estamos a punto de indagar.

En los equipos de litografía de ultravioleta extremo (UVE) que fabrica la compañía neerlandesa ASML los láseres de alta potencia calientan instantáneamente decenas de miles de diminutas gotas de estaño en un solo segundo hasta que alcanzan una temperatura de medio millón de grados Celsius. Esta interacción produce un plasma extremadamente caliente que emite luz ultravioleta con una longitud de onda de 13,5 nm. Esta luz posteriormente debe ser transportada hasta la oblea gracias a un sistema de espejos y lentes muy preciso con el propósito de plasmar los patrones que definen los circuitos integrados sobre una capa de fotorresina.

Muy a grandes rasgos esta es la estrategia que utilizan las máquinas de fabricación de semiconductores más avanzadas que existen actualmente. Y, como acabamos de ver, los láseres de alta potencia interpretan un papel indiscutiblemente protagonista. Como explica Jayson Stewart, jefe de investigación en ASML, en el interesantísimo artículo que ha publicado en IEEE Spectrum, el proceso de generación de la radiación ultravioleta que utilizan los equipos de litografía UVE para producir chips de vanguardia se parece mucho a lo que ocurre durante una supernova.

Cuando una estrella masiva agota su combustible y se detienen los procesos de fusión nuclear, la presión de radiación y de los gases ya no es capaz de contrarrestar la contracción gravitacional. Este fenómeno provoca que el núcleo de hierro de la estrella se contraiga súbitamente bajo la enorme presión que ejercen sobre él todas las capas de material que tiene por encima. La estrella ha perdido el equilibrio hidrostático. En este instante toda esa materia pierde el soporte que ejercía el núcleo, que ahora es mucho más compacto, y cae sobre él con una velocidad enorme.

Cuando todo ese material de la estrella toca la superficie del núcleo se produce un efecto rebote que provoca que salga despedido con una energía descomunal hacia el medio estelar, quedando diseminado. Acaba de producirse una supernova. Algunas de ellas son tan energéticas que durante unos pocos segundos emiten más luz que toda la galaxia que las contiene. Las diminutas explosiones que tienen lugar en el interior de los equipos de litografía UVE cuando un láser incide sobre una gota de estaño producen una onda de choque similar a la que origina una supernova en el medio estelar, aunque a mucha menor escala.

Sorprendentemente las ecuaciones matemáticas que describen la evolución de estos dos tipos de explosiones son las mismas. Los ingenieros de ASML las utilizan para calcular con mucha precisión cómo va a ser la evolución de la onda de choque que desencadenan las bolas de plasma dentro de los equipos UVE. Y los astrofísicos las emplean para describir los restos de las supernovas y deducir las propiedades de la explosión estelar que las originó. Una supernova tiene 10⁴⁵ veces más energía que una explosión de estaño, pero gracias a este paralelismo los ingenieros de ASML han podido resolver el complejo problema derivado de los residuos de estaño en el interior de sus equipos de litografía más avanzados.

Imagen | ASML

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