Investigadores de la <a href="https://www.unizar.es/" title="Universidad de Zaragoza" alt="Universidad de Zaragoza" target="_blank">Universidad de Zaragoza</a> (UNIZAR) han abierto un nuevo campo en la investigación de materiales para la industria electrónica que promete numerosas aplicaciones futuras con materiales más baratos, frecuentes e incluso impensables como la sal común. La revista <a href="https://www.nature.com/articles/s41565-017-0001-2" title="Nature Nanotechnlogy" alt="Nature Nanotechnlogy" target="_blank">Nature Nanotechnlogy</a> recoge los resultados de este trabajo internacional, en el que han participado investigadores del <a href="https://inma.unizar-csic.es" title="Instituto de Nanociencia de Aragón" alt="Instituto de Nanociencia de Aragón" target="_blank">Instituto de Nanociencia de Aragón</a> (INA) y el <a href="https://lma.unizar.es/esem-quanta/" title="Laboratorio de Microscopias Avanzadas" alt="Laboratorio de Microscopias Avanzadas" target="_blank">Laboratorio de Microscopias Avanzadas</a> (LMA) de la Universidad de Zaragoza, en España, así como del <a href="https://www.london-nano.com/" title="London Centre for Nanotechnology" alt="London Centre for Nanotechnology" target="_blank">London Centre for Nanotechnology</a> y la <a href="https://www.liverpool.ac.uk/" title="Universidad de Liverpool" alt="Universidad de Liverpool" target="_blank">Universidad de Liverpool</a> en Reino Unido.
El equipo de científicos ha descubierto el modo de inducir y controlar el estado eléctrico de materiales aislantes de bajo coste mediante la reducción de su grosor a unas pocas capas de átomos. De hecho, han demostrado que esta "receta" sirve para cualquier material aislante y lo han conseguido en un elemento tan habitual como la sal común o cloruro de sodio.
"Para la industria electrónica los materiales semiconductores y los magnéticos han agotado sus perspectivas en términos de abaratar costes y disminuir el consumo de energía. Por eso, muchos investigadores están intentando sustituirlos por nuevos materiales que sean ferroeléctricos. Y hemos descubierto recetas para convertir cualquier material aislante que tenga cargas en su interior en ferroeléctrico, algo muy útil para aplicaciones en industria electrónica. Ya no será necesario esperar a que la naturaleza induzca un estado ferroeléctrico, sino que podemos construir ad-hoc ordenamientos atómicos que provoquen necesariamente estas y otras propiedades útiles en la materia", explica David Serrate, físico y director del área de Microscopía de sonda próxima del LMA donde se realizaron los experimentos.
El equipo de investigación se manifiesta muy ilusionado con el potencial de este proyecto y los futuros resultados de la investigación en curso. Se sienten como el "Rey Midas de la Ciencia de Estado Sólido": no solo han descubierto una receta para convertir cualquier aislante -incluyendo los magnéticos- en ferroeléctrico, sino que además las técnicas que han desarrollado les van a permitir estudiarlos con precisión atómica.
¿Qué es un material ferroeléctrico? Si se les da la vuelta de arriba abajo, la mayor parte de los materiales tienen exactamente el mismo aspecto a nivel atómico. Debido a esta simetría, las cargas eléctricas de los átomos no son capaces de orientarse en una dirección particular, compensándose entre sí. Sin embargo, a algunos materiales les falla esta simetría y precisamente ahí las cargas positivas y negativas se separan y alinean formando dipolos eléctricos. Este fenómeno se puede observar en la vida real cuando se frota un tejido aislante y después atrae el vello corporal. Cuando estos dipolos se pueden conmutar en diferentes orientaciones por medio de un campo eléctrico, y permanecen en ese estado después de retirar el campo eléctrico, el material es denominado ferroeléctrico.
Desafortunadamente, al reducir el tamaño hasta la nanoescala de un material ferroeléctrico en un circuito eléctrico, éste pierde sus dipolos y por tanto su capacidad de retener información. Esto impide la miniaturización de materiales ferroeléctricos. Además, el número de materiales ferroeléctricos es muy reducido. Aunque todavía más pequeño es el de materiales que combinan la ferroelectricidad con su análogo magnético, el ferromagnetismo de un imán (en lo que se basan los dispositivos de almacenaje masivo de información). Los materiales que exhiben simultáneamente ferromagnetismo y ferroelectricidad se denominan multiferroicos, y de hecho, es literalmente posible contarlos con los dedos de una mano.
"La interacción entre el nitruro de cobre y las capas de aislante iónico tiene dos consecuencias importantísimas", comenta José Martínez Castro, autor principal del artículo. "En primer lugar, el nitruro de cobre induce dipolos eléctricos en la capa de sal. En segundo, gracias a que el nitruro de cobre es aislante e interacciona débilmente con la sal, habilita que los dipolos sean invertibles mediante campos eléctricos externos a pesar de que la capa activa de sal se encuentra a una distancia del cobre metálico equivalente a la anchura de un átomo."
Referencia bibliográfica:
MARTÍNEZ CASTRO, J. 2017. Electric polarisation switching in an atomically-thin binary rock salt structure. Nature Nanotechnology. DOI: 10.1038/s41565-017-0001-2
