Investigadores de la Universidad de Tel Aviv han diseñado la tecnología más delgada 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 de electrones mecánico cuántico 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 de Física y Astronomía Raymond y Beverly Sackler y de la Escuela de Química Raymond y Beverly Sackler. 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 acaba de publicarse en la revista Science.
«Nuestra investigación surge de la curiosidad por el comportamiento de átomos y electrones en materiales sólidos, lo que ha generado muchas de las tecnologías que respaldan nuestra forma de vida moderna«, comenta el Dr. Shalom. «Nosotros (y muchos otros científicos) intentamos comprender, predecir e incluso controlar las fascinantes propiedades de estas partículas a medida que se condensan en una estructura ordenada que llamamos cristal. En el corazón de un ordenador, por ejemplo, se encuentra un diminuto cristalino dispositivo diseñado para cambiar entre dos estados que indican diferentes respuestas: ‘sí’ o ‘no,’ ‘arriba’ o ‘abajo’, etc. Sin esta dicotomía, no es posible codificar y procesar información. El desafío práctico es encontrar un mecanismo que permita la conmutación en un dispositivo pequeño, rápido y económico«.
«Esperamos que la miniaturización y el deslizamiento mejoren los dispositivos electrónicos actuales y, además, permitan otras formas originales de controlar la información en los dispositivos del futuro«
Los dispositivos de última generación actuales consisten en pequeños cristales que contienen sólo alrededor de un millón de átomos (unos cien átomos de altura, ancho y grosor) de modo que un millón de estos dispositivos se pueden apretar alrededor de un millón de veces en el área de una moneda, con cada dispositivo cambiando a una velocidad de aproximadamente un millón de veces por segundo.
Tras este avance tecnológico, los investigadores pudieron, por primera vez, reducir el grosor de los dispositivos cristalinos a sólo dos átomos. El Dr. Shalom enfatiza que una estructura tan delgada permite que las memorias basadas en la capacidad cuántica de los electrones salten rápida y eficientemente a través de barreras que tienen sólo varios átomos de espesor. Por lo tanto, puede mejorar significativamente 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, pudieron romper la simetría de este cristal al ensamblar artificialmente dos de esas capas. «En su estado tridimensional natural, este material está formado por una gran cantidad de capas colocadas una encima de la otra, con cada una rotada 180 grados con respecto a sus vecinas (configuración antiparalela)«, afirma 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 una superposición perfecta a pesar de la fuerte fuerza repulsiva entre ellos (resultante de sus cargas idénticas). Sin embargo, el cristal prefiere deslizar una capa ligeramente en relación con la otra, de modo que sólo la mitad de los átomos de cada capa se superponen perfectamente, y los que se superponen son de cargas opuestas, mientras que todos los demás se encuentran por encima o por debajo de un espacio vacío: el centro del hexágono. En esta configuración de apilamiento artificial, las capas son bastante distintas entre sí. Por ejemplo, si en la capa superior sólo se superponen los átomos de boro, en la capa inferior es al revés«.
«Además de los dispositivos informáticos, esperamos que esta tecnología contribuya a los detectores, almacenamiento y conversión de energía, interacción con la luz, etc»
El Dr. Shalom también destaca el trabajo del equipo teórico, que realizó numerosas simulaciones por ordenador: «Juntos, establecimos un profundo conocimiento de por qué los electrones del sistema se organizan tal como lo habíamos medido en el laboratorio. Gracias a este conocimiento fundamental, esperamos respuestas fascinantes en otros sistemas estratificados con simetría rota”, especula.
La estudiante de doctorado Maayan Wizner Stern, quien 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 generar una minúscula 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 polarización. La polarización conmutada permanece estable incluso cuando el campo externo está apagado. 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«, agrega el Dr. Shalom. «Esperamos los mismos comportamientos en muchos cristales en capas con las propiedades de simetría correctas. El concepto de deslizamiento entre capas como una forma original y eficiente de controlar dispositivos electrónicos avanzados es muy prometedor, y lo hemos llamado Slide-Tronics«.
Stern concluye que «estamos entusiasmados con descubrir lo que puede suceder en otros estados en los que forzamos a la naturaleza y predecimos que otras estructuras que combinen grados adicionales de libertad son posibles. Esperamos que la miniaturización y el deslizamiento mejoren los dispositivos electrónicos actuales y, además, permitan otras formas originales de controlar la información en los dispositivos del futuro. Además de los dispositivos informáticos, esperamos que esta tecnología contribuya a los detectores, almacenamiento y conversión de energía, interacción con la luz, etc. Nuestro desafío, tal como lo vemos, es descubrir más cristales con nuevos y difuminados grados de libertad«.
Fuente: Science.
