El Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC) participa en una investigación internacional que ha conseguido ensamblar capas monocristalinas de óxidos cerámicos de tan sólo unos pocos átomos de espesor rotadas en un ángulo arbitrario y que se enlazan para formar un nuevo cristal artificial que no existe en la naturaleza. Este descubrimiento de una nueva generación de materiales artificiales abre nuevas vías para aumentar la capacidad de almacenamiento y la eficiencia energética de los dispositivos informáticos del futuro.
El trabajo, publicado en Nature y elaborado dentro de la Unidad Asociada UCM/CSIC ‘Laboratorio de Heteroestructuras con aplicación en spintrónica’, demuestra que en la interfase de unión entre capas ferroeléctricas rotadas de titanato de bario (BaTiO3) “aparecen propiedades emergentes que podrían producir una revolución en la ciencia y tecnología de materiales”, explica Mar García, investigadora en el ICMM-CSIC.
“En la naturaleza los cristales crecen espontáneamente con facetas bien definidas gracias a que mantienen la orientación de los llamados ejes cristalinos”, menciona Jacobo Santamaría, profesor de la Universidad Complutense de Madrid (UCM) y autor principal del trabajo. Hasta el momento, las tecnologías de crecimiento de materiales explotan esta tendencia natural combinando capas muy delgadas de materiales diferentes, que se apilan unas encima de otras manteniendo 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”, añade el investigador.
Ahora, este trabajo ha logrado la fabricación de cristales de óxidos con un grado de libertad que no existe en la naturaleza y que nunca antes se había conseguido: la rotación controlada entre capas cristalinas de espesor atómico, una técnica llamada ‘twistrónica’ (del inglés twistronics). El enlace entre estas capas da lugar a un patrón estructural y de interacciones característico (patrón de moiré) que 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”, detalla García. “Hemos creado esos vórtices, se ha generado un patrón nanoscópico de una entidad que es muy robusta”, continúa la científica, que señala que, si se aplican campos eléctricos, se pueden crear “diferentes estados que pueden almacenar información en la nanoescala”.
Este estado permitiría alcanzar densidades de almacenamiento que excederían los 100 terabytes por pulgada cuadrada (Tbits/in2), superando así el actual límite de 1Tb/in2 en el que se ha estancado la densidad de información de las memorias de los ordenadores. “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”, defiende Santamaría.
