¿Qué pasaría si pudiéramos controlar el interior de un material empujándolo justo por el lado que nadie había probado antes? Eso es, a grandes rasgos, lo que acaba de lograr un equipo internacional con participación de la Universidad de Cantabria, en un hallazgo publicado en la revista Nature que abre la puerta a chips eficientes capaces de gastar mucha menos energía que los actuales.
El trabajo, liderado por un consorcio que reúne a la Universidad de Cantabria, la Universidad de Lieja (Bélgica), la Universidad de California en Berkeley, el Lawrence Berkeley National Laboratory, la Universidad Rice y la Universidad del Sur de California, describe un fenómeno que hasta ahora nadie había observado de forma experimental: la posibilidad de invertir la polarización eléctrica de un material aplicando el campo eléctrico en una dirección completamente distinta a la habitual.
Un giro de 90 grados que nadie había conseguido demostrar
Para entenderlo hay que hablar primero de los materiales ferroeléctricos, unos cristales capaces de mantener una polarización eléctrica estable incluso sin corriente, algo parecido a un imán pero con carga eléctrica en lugar de magnetismo. Hasta ahora, para cambiar esa polarización siempre se aplicaba el campo eléctrico en la misma dirección en la que apunta la polarización: un empujón de frente. Lo que ha demostrado este equipo es que, en determinados materiales, también se puede lograr el mismo efecto empujando desde un ángulo perpendicular, en vertical, sobre un material cuya polarización está orientada en horizontal.
Qué es la "conmutación perpendicular"
El fenómeno se bautizó como conmutación perpendicular, y el propio equipo reconoce que rompe con una intuición asentada desde hace décadas en la física de materiales. El mecanismo que lo hace posible es un acoplamiento interno entre pequeñas distorsiones de la red cristalina y la rotación de los octaedros de oxígeno que forman esa red, una especie de engranaje a escala atómica que traduce un empujón vertical en un giro horizontal de la polarización.
El material clave: titanato de bismuto
El material sobre el que se ha demostrado este efecto es el Bi4Ti3O12, conocido como titanato de bismuto, un ferroeléctrico laminado que ya se estudiaba en laboratorios de todo el mundo por su estabilidad. Javier Junquera, catedrático del Departamento de Ciencias de la Tierra y Física de la Materia Condensada de la Universidad de Cantabria, ha sido uno de los responsables de la parte teórica del trabajo, junto con Fernando Gómez-Ortiz, doctor por la propia Universidad de Cantabria que ahora hace una estancia postdoctoral en Lieja, y el profesor de esa universidad belga Philippe Ghosez.
De los cálculos en el ordenador a los microscopios más potentes del mundo
La combinación de enfoques es lo que da fuerza al resultado. Por un lado, el equipo teórico calculó cómo debería comportarse el material a escala atómica; por otro, los grupos experimentales lo comprobaron con microscopía electrónica de resolución atómica, microscopía de fuerza piezoeléctrica y espectroscopía basada en radiación sincrotrón, tres técnicas que permiten literalmente ver cómo se mueven los átomos dentro del cristal mientras se aplica el campo eléctrico. "Este trabajo demuestra cómo la combinación de teoría y experimentación permite descubrir mecanismos completamente nuevos en materiales funcionales", resume Junquera.
Por qué esto puede acabar en el móvil que llevas en el bolsillo
La parte práctica es la que explica todo el interés del hallazgo. Si se puede controlar la polarización de un material ferroeléctrico desde una dirección distinta a la tradicional, se abren opciones de diseño que hoy no existen para memorias no volátiles capacitivas, el tipo de memoria que conserva la información aunque se corte la corriente, sin necesitar refrescarse constantemente como ocurre con buena parte de la memoria RAM actual. Menos refrescos de corriente significan, en la práctica, chips eficientes que consumen bastante menos energía para hacer el mismo trabajo, algo cada vez más relevante a medida que los centros de datos que sostienen internet disparan su factura eléctrica.
¿Cuándo llegará esto a los dispositivos que usamos?
Todavía no hay una fecha, y conviene ser prudente: este es un resultado de ciencia básica, demostrado en condiciones de laboratorio sobre un material concreto, no un prototipo de chip listo para fabricarse en serie. El propio proceso de convertir un mecanismo físico en un componente electrónico comercial suele llevar años, a veces más de una década, e implica resolver problemas de fabricación a gran escala que quedan fuera del alcance de este estudio. Lo que sí deja claro el trabajo es que existe un camino nuevo, hasta ahora desconocido, por el que investigar sensores, actuadores y memorias más avanzadas.
Lo interesante de este hallazgo, más allá del resultado concreto, es que llega en un momento en que la industria electrónica busca alternativas al silicio tradicional para seguir reduciendo el consumo energético sin sacrificar velocidad. Frente a otras apuestas como la espintrónica, que usa el espín de los electrones en lugar de su carga, la vía ferroeléctrica que explora este equipo tiene la ventaja de apoyarse en materiales ya conocidos y relativamente fáciles de fabricar, lo que podría acortar la distancia entre el laboratorio y la aplicación real. Es, en cierto modo, una muestra de que a veces la innovación no llega inventando un material nuevo, sino descubriendo que uno ya conocido puede usarse de una forma en la que nadie había pensado, algo parecido a lo que ya se explora con los materiales que aparecen en las fachadas que combaten el calor usando luz en lugar de sombra.
Por ahora, el hallazgo queda recogido en Nature bajo el título "Perpendicular switching of polarization in layered ferroelectrics", y el equipo de Cantabria ya trabaja en extender el modelo teórico a otros materiales laminados que podrían mostrar el mismo comportamiento. Si la conmutación perpendicular termina saliendo del laboratorio, los ordenadores del futuro podrían gastar bastante menos batería sin que el usuario note ningún cambio salvo, quizá, una factura eléctrica algo más baja.
