En la interfaz entre dos capas rotadas de titanato de bario, con solo unos pocos átomos de espesor, aparecen propiedades que podrían revolucionar la ciencia de los materiales ferroeléctricos y ser útiles en la electrónica e informática del futuro. Los detalles los publican en Nature investigadores de la Universidad Complutense de Madrid.
Una investigación internacional liderada por la Universidad Complutense de Madrid (UCM) ha conseguido ensamblar capas monocristalinas de óxidos cerámicos de tan solo unos pocos átomos de espesor, rotadas un ángulo arbitrario, que se enlazan para formar un nuevo cristal artificial que no existe en la naturaleza.
El trabajo, publicado en Nature, demuestra que en la interfase de unión entre capas ferroeléctricas rotadas de uno de estos óxidos cerámicos, el titanato de bario (BaTiO3), aparecen propiedades emergentes que podrían producir una revolución en la ciencia y tecnología de materiales. El BaTiO3 se conoce desde principios del siglo pasado y, como en el caso del grafeno, se ha producido en forma de cristales ultradelgados.
En la naturaleza los cristales crecen espontáneamente con facetas bien definidas gracias a que mantienen la orientación de los llamados ejes cristalinos, pudiendo alcanzar tamaños de decenas de metros y pesos de varias toneladas.
Hasta el momento, las modernas tecnologías de crecimiento de materiales explotan esta tendencia natural combinando capas muy delgadas de materiales diferentes, que se apilan unas encima de otras manteniendo rígidamente la orientación cristalina y la disposición de los átomos de las distintas capas. El resultado es la aparición de nuevas e interesantes propiedades en las interfases o superficies de unión entre las capas cristalinas, que han permitido, por ejemplo, la construcción de dispositivos electrónicos y su utilización en tecnologías de la información y de las comunicaciones.
En este trabajo se han fabricado cristales de óxidos con un nuevo grado de libertad que no existe en la naturaleza e imposible de conseguir hasta ahora: la rotación controlada entre capas cristalinas de espesor atómico, una estrategia que en un abuso de lenguaje denominamos “twistrónica” (del inglés, twistronics, el estudio de cómo el ángulo o torsión entre capas de materiales bidimensionales puede cambiar sus propiedades eléctricas).
El enlace entre estas capas da lugar a un patrón estructural y de interacciones característico (llamado patrón de moiré) que, según los cálculos teóricos realizados por Hugo Aramberri y Jorge Iñiguez en el Luxembourg Institute of Science and Technology (LIST, en Luxemburgo), es el origen de las propiedades emergentes encontradas.
El trabajo demuestra que la rotación entre capas induce un estado ferroeléctrico nunca observado hasta ahora en el que se alternan vórtices (remolinos) de polarización eléctrica con un tamaño lateral muy pequeño (unos pocos átomos), y que podrían ser el elemento de información (bits) de memorias del futuro.
Jacobo Santamaría, director del grupo de Física de Materiales Complejos de la UCM, explica que este estado permitiría alcanzar densidades de almacenamiento que excederían los 100 terabits/in2 superando el actual límite de 1Tb/in2 en el que se ha estancado la densidad de información de las memorias de los ordenadores desde hace unos años.
Esto permitiría afrontar el reto tecnológico y de sostenibilidad energética de un almacenamiento global de información que podría superar los yotta (1024) bytes en la presente década. Según los autores, este trabajo abre nuevas vías para aumentar la densidad de almacenamiento de información y la eficiencia energética de futuros dispositivos informáticos.
Carlos León, investigador del mismo grupo añade que “más allá, este estudio abre todo un abanico de oportunidades para la observación y explotación de nuevos efectos y propiedades en otros óxidos cristalinos (y no solo óxidos) que presentan estados ferroicos o multiferroicos u otros estados colectivos”.
Además de la UCM y el LIST, en esta investigación han participado el Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (CSIC) y el Laboratorio de Heteroestructuras con aplicación en spintrónica, también de la UCM y el CSIC.
Referencia:
G. Sánchez-Santolino, J. Santamaria et al. “A 2D ferroelectric vortex pattern in twisted BaTiO3 freestanding layers”. Nature
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