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Credit: Tel Aviv University |
Ferroelectricidad interfacial por deslizamiento de van der Waals
Investigadores de la Universidad de Tel Aviv han diseñado la tecnología más diminuta del mundo, con un grosor de sólo dos átomos. Según los investigadores, la nueva tecnología propone una forma de almacenar información eléctrica en la unidad más delgada conocida por la ciencia, en uno de los materiales más estables e inertes de la naturaleza. El túnel cuántico-mecánico de electrones permitido a través de la película atómicamente delgada puede impulsar el proceso de lectura de información mucho más allá de las tecnologías actuales.
La investigación fue realizada por científicos de la Escuela Raymond y Beverly Sackler de Física y Astronomía y de la Escuela Raymond y Beverly Sackler de Química. El grupo incluye a Maayan Vizner Stern, Yuval Waschitz, el Dr. Wei Cao, el Dr. Iftach Nevo, el Prof. Eran Sela, el Prof. Michael Urbakh, el Prof. Oded Hod y el Dr. Moshe Ben Shalom. El trabajo se publica ahora en la revista Science.
"Nuestra investigación surge de la curiosidad por el comportamiento de los átomos y los electrones en los materiales sólidos, que ha generado muchas de las tecnologías que sustentan nuestro modo de vida moderno", dice el Dr. Shalom. "Nosotros (y muchos otros científicos) intentamos comprender, predecir e incluso controlar las fascinantes propiedades de estas partículas cuando se condensan en una estructura ordenada que llamamos cristal. En el corazón del ordenador, por ejemplo, se encuentra un diminuto dispositivo cristalino diseñado para cambiar entre dos estados que indican respuestas diferentes: 'sí' o 'no', 'arriba' o 'abajo', etc. Sin esta dicotomía, no es posible codificar y procesar la información. El reto práctico es encontrar un mecanismo que permita la conmutación en un dispositivo pequeño, rápido y barato".
Los dispositivos actuales de última generación consisten en diminutos cristales que contienen sólo un millón de átomos (unos cien átomos de altura, anchura y grosor), de modo que un millón de estos dispositivos pueden comprimirse aproximadamente un millón de veces en el área de una moneda, y cada dispositivo conmuta a una velocidad de aproximadamente un millón de veces por segundo.
Tras el avance tecnológico, los investigadores pudieron, por primera vez, reducir el grosor de los dispositivos cristalinos a sólo dos átomos. El Dr. Shalom subraya que una estructura tan fina permite crear memorias basadas en la capacidad cuántica de los electrones para saltar rápida y eficazmente a través de barreras de sólo varios átomos de grosor. De este modo, puede mejorar considerablemente los dispositivos electrónicos en términos de velocidad, densidad y consumo de energía.
En el estudio, los investigadores utilizaron un material bidimensional: capas de boro y nitrógeno de un átomo de espesor, dispuestas en una estructura hexagonal repetitiva. En su experimento, lograron romper la simetría de este cristal ensamblando artificialmente dos de estas capas. "En su estado tridimensional natural, este material está formado por un gran número de capas colocadas una encima de otra, con cada capa girada 180 grados respecto a sus vecinas (configuración antiparalela)", dice el Dr. Shalom. "En el laboratorio, pudimos apilar artificialmente las capas en una configuración paralela sin rotación, lo que hipotéticamente coloca átomos del mismo tipo en perfecta superposición a pesar de la fuerte fuerza de repulsión entre ellos (resultante de sus cargas idénticas). Sin embargo, en la realidad, el cristal prefiere deslizar ligeramente una capa con respecto a la otra, de modo que sólo la mitad de los átomos de cada capa están en perfecto solapamiento, y los que se solapan son de cargas opuestas, mientras que todos los demás se sitúan por encima o por debajo de un espacio vacío: el centro del hexágono. En esta configuración artificial de apilamiento, las capas son muy distintas entre sí. Por ejemplo, si en la capa superior sólo se solapan los átomos de boro, en la inferior es al revés".
El Dr. Shalom también destaca el trabajo del equipo de teoría, que realizó numerosas simulaciones por ordenador "Juntos establecimos una profunda comprensión de por qué los electrones del sistema se organizan tal y como habíamos medido en el laboratorio. Gracias a esta comprensión fundamental, esperamos respuestas fascinantes también en otros sistemas de capas con simetría rota", afirma.
Maayan Wizner Stern, el estudiante de doctorado que dirigió el estudio, explica que "la ruptura de simetría que creamos en el laboratorio, que no existe en el cristal natural, obliga a la carga eléctrica a reorganizarse entre las capas y a generar una diminuta polarización eléctrica interna perpendicular al plano de la capa. Cuando aplicamos un campo eléctrico externo en la dirección opuesta, el sistema se desliza lateralmente para cambiar la orientación de la polarización. La polarización conmutada permanece estable incluso cuando el campo externo se apaga. En esto el sistema es similar a los sistemas ferroeléctricos tridimensionales gruesos, que se utilizan ampliamente en la tecnología actual."
"La capacidad de forzar una disposición cristalina y electrónica en un sistema tan delgado, con propiedades únicas de polarización e inversión resultantes de las débiles fuerzas de Van der Waals entre las capas, no se limita al cristal de boro y nitrógeno", añade el Dr. Shalom. "Esperamos los mismos comportamientos en muchos cristales de capas con las propiedades de simetría adecuadas. El concepto de deslizamiento entre capas como forma original y eficaz de controlar los dispositivos electrónicos avanzados es muy prometedor, y lo hemos llamado Slide-Tronics".
Stern concluye que "están entusiasmados por descubrir lo que puede ocurrir en otros estados que forzamos en la naturaleza y predicen que son posibles otras estructuras que acoplen grados de libertad adicionales. Esperamos que la miniaturización y el giro por deslizamiento mejoren los dispositivos electrónicos actuales y, además, permitan otras formas originales de controlar la información en dispositivos futuros. Además de los dispositivos informáticos, esperamos que esta tecnología contribuya a los detectores, el almacenamiento y la conversión de energía, la interacción con la luz, etc. Nuestro reto, tal y como lo vemos, es descubrir más cristales con nuevos y resbaladizos grados de libertad".
Más Información: M. Vizner Stern et al, Interfacial ferroelectricity by van der Waals sliding, Science (2021). DOI: 10.1126/science.abe8177 Journal information: Science
Proporcionado por la Universidad de Tel-Aviv