Investigadores de la UC participan en un descubrimiento publicado en Nature para una electrónica más eficiente

SANTANDER 29 Jul. (EUROPA PRESS) -

Un equipo internacional de investigadores, entre los que se encuentra el catedrático del Departamento de Ciencias de la Tierra y Física de la Materia Condensada de la Universidad de Cantabria (UC), Javier Junquera, ha logrado demostrar un nuevo mecanismo para controlar las propiedades eléctricas de determinados materiales ferroeléctricos, un hallazgo que se ha publicado este miércoles en la revista Nature y que abre nuevas vías para una electrónica más eficiente.

El trabajo, 'Perpendicular switching of polarization in layered ferroelectrics', describe un fenómeno hasta ahora no observado experimentalmente: la posibilidad de invertir una polarización eléctrica situada en el plano de un material aplicando un campo eléctrico perpendicular a dicho plano, ha explicado la UC.

Este comportamiento, denominado por los autores "conmutación perpendicular" (perpendicular switching o trans-switching), representa un cambio de paradigma en el control de materiales ferroeléctricos y podría facilitar el desarrollo de una nueva generación de dispositivos electrónicos más rápidos, compactos y energéticamente eficientes.

Los materiales ferroeléctricos poseen una polarización eléctrica espontánea que puede invertirse mediante un campo eléctrico, una propiedad que los convierte en elementos fundamentales para memorias no volátiles, sensores, actuadores y otras tecnologías electrónicas.

Tradicionalmente, la dirección de la polarización solo puede modificarse aplicando un campo eléctrico en esa misma dirección. Sin embargo, el equipo ha demostrado que, en un material ferroeléctrico laminado conocido como Bi4Ti3O12 (titanato de bismuto), existe un acoplamiento interno entre diferentes distorsiones de la estructura cristalina que permite cambiar una polarización horizontal mediante un campo eléctrico vertical.

Este mecanismo surge gracias a una compleja interacción entre la polarización eléctrica y pequeñas rotaciones de los octaedros de oxígeno que forman la estructura del cristal.

El resultado es que una pequeña variación en una componente de la polarización desencadena una reorganización cooperativa de toda la estructura cristalina, provocando el cambio simultáneo de la componente principal de la polarización en una dirección perpendicular.

El descubrimiento combina predicciones teóricas realizadas mediante cálculos de primeros principios con una extensa validación experimental utilizando técnicas de caracterización de última generación, entre ellas microscopía electrónica de resolución atómica, microscopía de fuerza piezoeléctrica y espectroscopía basada en radiación sincrotrón.

Las simulaciones teóricas, desarrolladas por el grupo de la UC en colaboración con la Universidad de Lieja, permitieron identificar el mecanismo microscópico responsable del fenómeno y explicar cómo la simetría del material hace posible esta conmutación perpendicular. Posteriormente, el fenómeno fue confirmado experimentalmente por varios grupos internacionales, mediante diferentes técnicas independientes.

HACIA UNA ELECTRÓNICA MÁS EFICIENTE

Uno de los principales retos de la electrónica actual es reducir el consumo energético asociado al procesamiento y almacenamiento de información. El nuevo mecanismo descubierto permite controlar una polarización eléctrica de gran intensidad utilizando otra componente mucho menor aplicada en dirección perpendicular, lo que abre la puerta a arquitecturas electrónicas más eficientes.

El profesor de la UC, Javier Junquera, señala que este principio podría convertirse en un elemento básico para futuras tecnologías de computación basadas en componentes capacitivos no volátiles, capaces de realizar operaciones consumiendo mucha menos energía que la electrónica convencional.

Además, el estudio sugiere que este comportamiento no es exclusivo del material investigado, sino que podría reproducirse en otros materiales ferroeléctricos diseñados específicamente mediante ingeniería de materiales y heteroestructuras.

La participación de la Universidad de Cantabria se ha centrado en la comprensión teórica del fenómeno. El profesor Javier Junquera, junto con Fernando Gómez-Ortiz (doctor de la UC, actualmente realizando una estancia postdoctoral en la Universidad de Lieja) y el profesor Philippe Ghosez (Universidad de Lieja), dirigieron el trabajo de modelización y simulación que permitió identificar el origen microscópico del acoplamiento entre las diferentes polarizaciones y las rotaciones estructurales responsables de la conmutación perpendicular.

Según explica Javier Junquera, "este trabajo demuestra cómo la combinación de teoría y experimentación permite descubrir mecanismos completamente nuevos en materiales funcionales. Comprender estas interacciones fundamentales abre oportunidades para diseñar dispositivos electrónicos con prestaciones que hasta ahora parecían inalcanzables".

El estudio ha sido desarrollado por un amplio consorcio internacional integrado por investigadores de la Universidad de California en Berkeley, Lawrence Berkeley National Laboratory, Rice University, University of Southern California, Universidad de Lieja, Universidad de Cantabria y otras instituciones de Estados Unidos y Europa.