En 2021, un equipo dirigido por físicos del MIT informó sobre la creación de un nuevo material ferroeléctrico ultrafino, o uno en el que las cargas positivas y negativas se separan en diferentes capas.En ese momento, observaron el potencial del material para aplicaciones en la memoria de la computadora y mucho más.Ahora, el mismo equipo central y sus colegas, incluidos dos del laboratorio de al lado, construyeron un transistor con ese material y demostraron que sus propiedades son tan útiles que podrían cambiar el mundo de la electrónica.

Aunque los resultados del equipo se basan en un solo transistor en el laboratorio, "en varios aspectos sus propiedades ya cumplen o superan los estándares de la industria" para los transistores ferroeléctricos producidos hoy, dice Pablo Jarillo-Herrero, profesor de Física Cecil e Ida Green, quiendirigió el trabajo con el profesor de física Raymond Ashoori.Ambos también están afiliados al Laboratorio de Investigación de Materiales.

"En mi laboratorio principalmente hacemosfisica fundamental.Este es uno de los primeros ejemplos, y quizás el más espectacular, de cómo la ciencia básica ha dado lugar a algo que podría tener un gran impacto en las aplicaciones", afirma Jarillo-Herrero.

Ashoori dice: "Cuando pienso en toda mi carrera en física, este es el trabajo que creo que dentro de 10 a 20 años podría cambiar el mundo".

Entre las propiedades superlativas del nuevo transistor:

• Puede cambiar entre positivo ycargas negativasâesencialmente los unos y los ceros de la información digital, a velocidades muy altas, en escalas de tiempo de nanosegundos.(Un nanosegundo es una milmillonésima de segundo).
• Es extremadamente duro.Después de 100 mil millones de cambios, todavía funcionaba sin signos de degradación.
• El material detrás de la magia tiene sólo una billonésima de metro de espesor, uno de los más delgados de su tipo en el mundo.Esto, a su vez, podría permitir un almacenamiento de memoria de computadora mucho más denso.También podría conducir a transistores mucho más eficientes energéticamente debido al voltaje requerido para cambiar escalas con el espesor del material.(Ultradelgado equivale a voltajes ultrabajos).

el trabajo espublicadoen una edición reciente deCiencia.Los coautores del artículo son Kenji Yasuda, ahora profesor asistente en la Universidad de Cornell, y Evan Zalys-Geller, ahora en Atom Computing.Los autores adicionales son Xirui Wang, estudiante de posgrado en física del MIT;Daniel Bennett y Efthimios Kaxiras de la Universidad de Harvard;Suraj S. Cheema, profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación del MIT y afiliado del Laboratorio de Investigación de Electrónica;y Kenji Watanabe y Takashi Taniguchi del Instituto Nacional de Ciencia de Materiales de Japón.

lo que hicieron

En un material ferroeléctrico, las cargas positivas y negativas se dirigen espontáneamente a diferentes lados o polos.Tras la aplicación de un campo eléctrico externo, esas cargas cambian de lado, invirtiendo la polarización.El cambio de polarización se puede utilizar para codificar información digital, y esa información no será volátil o estable en el tiempo.No cambiará a menos que se aplique un campo eléctrico.Para que un ferroeléctrico tenga una amplia aplicación en la electrónica, todo esto debe ocurrir a temperatura ambiente.

El nuevo material ferroeléctricoreportadoenCienciaen 2021 se basa en láminas atómicamente delgadas de nitruro de boro apiladas paralelas entre sí, una configuración que no existe en la naturaleza.En el nitruro de boro a granel, las capas individuales de nitruro de boro se giran 180 grados.

Resulta que cuando se aplica un campo eléctrico a esta configuración apilada en paralelo, una capa del nuevo material de nitruro de boro se desliza sobre la otra, cambiando ligeramente las posiciones de los átomos de boro y nitrógeno.Por ejemplo, imagina que cada una de tus manos está compuesta por una sola capa de células.El nuevo fenómeno es similar a juntar las manos y luego mover ligeramente una encima de la otra.

"Así que el milagro es que al deslizar las dos capas unos pocos angstroms, se obtiene una electrónica radicalmente diferente", dice Ashoori.El diámetro de un átomo es aproximadamente 1 angstrom.

Otro milagro: "nada se desgasta al deslizarse", continúa Ashoori.Por eso el nuevo transistor podría cambiarse 100 mil millones de veces sin degradarse.Compare eso con la memoria en ununidad flashelaborado con materiales convencionales."Cada vez que escribes y borras una memoria flash, se produce cierta degradación", dice Ashoori."Con el tiempo, se desgasta, lo que significa que hay que utilizar algunos métodos muy sofisticados para distribuir dónde se lee y se escribe en el chip".El nuevo material podría hacer que esos pasos queden obsoletos.

Un esfuerzo colaborativo

Yasuda, el co-primer autor del actualCienciapaper, aplaude las colaboraciones involucradas en el trabajo.Entre ellos, "nosotros [el equipo de Jarillo-Herrero] hicimos el material y, junto con Ray [Ashoori] y [el coautor] Evan [Zalys-Geller], medimos sus características en detalle. Eso fue muy emocionante".Ashoori dice: "Muchas de las técnicas de mi laboratorio se aplicaron de forma natural al trabajo que se realizaba en el laboratorio de al lado. Ha sido muy divertido".

Ashoori señala que "hay mucha física interesante detrás de esto" que podría explorarse.Por ejemplo, "si piensas en las dos capas que se deslizan una sobre la otra, ¿dónde comienza ese deslizamiento?"Además, dice Yasuda, ¿podría activarse la ferroelectricidad con algo más que electricidad, como un pulso óptico?¿Y existe un límite fundamental al número de cambios que puede realizar el material?

Los desafíos persisten.Por ejemplo, la forma actual de producir nuevos ferroeléctricos es difícil y no propicia para la fabricación en masa."Hicimos un solo transistor a modo de demostración. Si la gente pudiera cultivar estos materiales a escala de oblea, podríamos crear muchos, muchos más", dice Yasuda.Señala que diferentes grupos ya están trabajando con ese fin.

Ashoori concluye: "Existen algunos problemas. Pero si se resuelven, este material encaja de muchas maneras en la futura electrónica potencial. Es muy emocionante".

Esta historia se republica por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre investigación, innovación y enseñanza del MIT.