La simulación de plasmas, un estado de la materia cargado eléctricamente, es crucial en numerosas aplicaciones industriales, especialmente en la fabricación de chips de ordenador. Sin embargo, este proceso ha presentado grandes desafíos debido a la complejidad matemática que implica, requiriendo millones de operaciones por segundo para simular miles de puntos de datos. A pesar de contar con algunos de los superordenadores más potentes del mundo, los científicos han enfrentado dificultades para desarrollar simulaciones cinéticas que sean lo suficientemente detalladas y rápidas para optimizar los procesos de manufactura.
Recientemente, un nuevo método ha sido introducido, mejorando la estabilidad y eficiencia de las simulaciones cinéticas de plasmas acoplados inductivamente. Este avance es fruto de una colaboración público-privada entre el Laboratorio de Física de Plasmas de Princeton (PPPL) y la empresa de equipos para chips Applied Materials Inc., que ya ha comenzado a utilizar esta herramienta. Investigadores de la Universidad de Alberta, PPPL y el Laboratorio Nacional de Los Álamos han contribuido al desarrollo de este proyecto.
Mejoras en la simulación
Las simulaciones detalladas de plasmas son fundamentales para entender cómo se forman y evolucionan en diferentes procesos de fabricación. A mayor precisión en las simulaciones, más exactas son las funciones de distribución que proporcionan, las cuales indican la probabilidad de que una partícula esté en una ubicación específica y se esté moviendo a una velocidad determinada. Este entendimiento puede llevar a perfeccionar el uso del plasma para grabar patrones en silicio, lo que podría resultar en chips más rápidos y con mayor capacidad de almacenamiento.
El primer modelo del código de simulación se basaba en un método obsoleto que resultó ser poco fiable. Dmytro Sydorenko, investigador asociado en la Universidad de Alberta y primer autor del artículo que detalla estos hallazgos, explicó que se realizaron modificaciones significativas al método original para lograr una mayor estabilidad. «Cambiamos las ecuaciones, lo que hizo que la simulación se volviera mucho más confiable y ya no tuviera fallos», comentó. Ahora, se cuenta con una herramienta útil para simular plasmas acoplados inductivamente en dos dimensiones espaciales.
Una de las mejoras clave en el código radica en la forma en que se calcula uno de los campos eléctricos. Este campo, generado por una bobina transportando corriente eléctrica, calienta el plasma mediante un campo magnético cambiante. El equipo centró sus esfuerzos en optimizar este campo eléctrico, conocido como campo eléctrico solenoidal, utilizando procedimientos desarrollados por Salomon Janhunen del Laboratorio Nacional de Los Álamos, optimizados por Jin Chen del PPPL, quien fungió como puente entre las áreas de física, matemáticas y ciencias de la computación.
La nueva simulación, denominada código de partículas en celdas, permite rastrear partículas individuales a medida que se mueven a través de la cuadrícula de simulación. Este enfoque es especialmente efectivo para plasmas utilizados en dispositivos industriales donde la presión del gas es baja, ya que un enfoque fluido no es adecuado debido a su uso de valores promedio en lugar de seguir el comportamiento de partículas individuales.
Además, el nuevo método garantiza la conservación de la energía, un principio fundamental que asegura que los resultados reflejen procesos físicos reales y no artefactos numéricos. En el mundo real, la energía no aparece ni desaparece al azar; sigue la ley de conservación de la energía. Errores pequeños en simulaciones pueden acumularse y provocar desviaciones significativas en los resultados, por lo que asegurar la conservación de la energía es esencial para mantener la fidelidad de la simulación a un plasma real.
