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2021-02-10Los físicos descubren una nueva e importante propiedad del grafeno

MIT |Una forma no convencional de ferroelectricidad podría influir en la informática de próxima generación.

Investigadores del MIT y sus colegas han descubierto recientemente una importante -e inesperada- propiedad electrónica del grafeno, un material descubierto hace sólo unos 17 años que sigue sorprendiendo a los científicos por su interesante física. El trabajo, que consiste en estructuras compuestas por capas atómicamente finas de materiales que además son biocompatibles, podría dar paso a nuevos paradigmas de procesamiento de información más rápidos. Una de las posibles aplicaciones es la computación neuromórfica, que pretende replicar las células neuronales del cuerpo responsables de todo, desde el comportamiento hasta los recuerdos.

El trabajo también introduce una nueva física que los investigadores están encantados de explorar.

"Las heteroestructuras basadas en el grafeno siguen produciendo sorpresas fascinantes. Nuestra observación de la ferroelectricidad no convencional en este sistema simple y ultrafino desafía muchas de las suposiciones predominantes sobre los sistemas ferroeléctricos, y puede allanar el camino para toda una generación de nuevos materiales ferroeléctricos", dice Pablo Jarillo-Herrero, el profesor de física Cecil e Ida Green del MIT y líder del trabajo, que implicó una colaboración con otros cinco profesores del MIT de tres departamentos.

Una nueva propiedad

El grafeno está compuesto por una sola capa de átomos de carbono dispuestos en hexágonos que se asemejan a una estructura de panal. Desde el descubrimiento del material, los científicos han demostrado que diferentes configuraciones de las capas de grafeno pueden dar lugar a una variedad de propiedades importantes. Las estructuras de grafeno pueden ser superconductoras, que conducen la electricidad sin resistencia, o aislantes, que impiden el movimiento de la electricidad. Incluso se ha descubierto que presentan magnetismo.

En este trabajo, publicado en Nature, los investigadores del MIT y sus colegas demuestran que el grafeno bicapa también puede ser ferroeléctrico. Esto significa que las cargas positivas y negativas del material pueden separarse espontáneamente en diferentes capas.

En la mayoría de los materiales, las cargas opuestas se atraen entre sí; quieren combinarse. Sólo la aplicación de un campo eléctrico las obligará a situarse en lados opuestos, o polos. En un material ferroeléctrico, no es necesario ningún campo eléctrico externo para mantener las cargas separadas, lo que da lugar a una polarización espontánea. Sin embargo, la aplicación de un campo eléctrico externo sí tiene un efecto: un campo eléctrico de dirección opuesta hará que las cargas cambien de lado y se invierta la polarización.

Por todas estas razones, los materiales ferroeléctricos se utilizan en diversos sistemas electrónicos, desde los ultrasonidos médicos hasta las tarjetas de identificación por radiofrecuencia.

Sin embargo, los ferroeléctricos convencionales son aislantes. El ferroeléctrico del equipo del MIT basado en el grafeno funciona mediante un mecanismo completamente diferente -una física distinta- que le permite conducir la electricidad. Y eso abre un sinfín de aplicaciones adicionales. "Lo que hemos encontrado aquí es un nuevo tipo de material ferroeléctrico", dice Zhiren "Isaac" Zheng, estudiante de física del MIT y primer autor del artículo de Nature.

Qiong Ma PhD ´16, coautor del artículo y profesor asistente en el Boston College, pone el trabajo en perspectiva. "Hay retos asociados a los ferroeléctricos convencionales que la gente ha estado trabajando para superar. Por ejemplo, la fase ferroeléctrica se vuelve inestable a medida que el dispositivo se miniaturiza. Con nuestro material, algunos de esos retos pueden resolverse automáticamente". Ma realizó el trabajo actual como postdoc a través del Laboratorio de Investigación de Materiales (MRL) del MIT.

Además de Jarillo-Herrero, Zheng y Ma, otros autores del trabajo son Zhen Bi, de la Universidad Estatal de Pensilvania; Sergio de la Barrera, postdoc en el MRL; Ming-Hao Liu, de la Universidad Nacional Cheng Kung; Nannan Mao, postdoc en el Laboratorio de Investigación de Electrónica del MIT; Yang Zhang, postdoc en el MRL; Natasha Kiper, de ETH Zürich; el profesor Jing Kong, del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática del MIT; William Tisdale, profesor de desarrollo profesional ARCO del Departamento de Ingeniería Química del MIT; el profesor Ray Ashoori, del Departamento de Física del MIT; el profesor Nuh Gedik, del Departamento de Física; Liang Fu, el profesor Lawrence C. (1944) y Sarah W. Biedenharn del MIT, y Su-Yang Xu, de la Universidad de Harvard.

Patrones importantes

La estructura creada por el equipo está compuesta por dos capas de grafeno -una bicapa- intercaladas entre capas atómicamente finas de nitruro de boro (BN) por encima y por debajo. Cada capa de BN está en un ángulo ligeramente diferente de la otra. Si se mira desde arriba, el resultado es un patrón único llamado superred de moiré. Un patrón de moiré, a su vez, "puede cambiar drásticamente las propiedades de un material", afirma Zheng.

El grupo de Jarillo-Herrero demostró un importante ejemplo de ello en 2018. En ese trabajo, también publicado en Nature, los investigadores apilaron dos capas de grafeno. Esas capas, sin embargo, no estaban exactamente una encima de la otra, sino que una estaba ligeramente girada en un "ángulo mágico" de 1,1 grados. La estructura resultante creaba un patrón de muaré que, a su vez, permitía al grafeno ser un superconductor o un aislante en función del número de electrones del sistema proporcionado por un campo eléctrico. Básicamente, el equipo pudo "ajustar el grafeno para que se comportara en dos extremos eléctricos".

"Así que al crear esta estructura moiré, el grafeno deja de ser grafeno. Se convierte casi por arte de magia en algo muy, muy diferente", afirma Ma.

En el trabajo actual, los investigadores crearon un patrón de muaré con láminas de grafeno y nitruro de boro que ha dado lugar a una nueva forma de ferroelectricidad. La física implicada en el movimiento de los electrones a través de la estructura es diferente a la de los ferroeléctricos convencionales.

"La ferroelectricidad demostrada por el grupo del MIT es fascinante", afirma Philip Kim, profesor de física y física aplicada de la Universidad de Harvard, que no participó en la investigación. "Este trabajo es la primera demostración que informa de la ferroelectricidad electrónica pura, que exhibe polarización de carga sin movimiento iónico en la red subyacente. Este sorprendente descubrimiento seguramente invitará a realizar más estudios que puedan revelar fenómenos emergentes más emocionantes y ofrecer la oportunidad de utilizarlos para aplicaciones de memoria ultrarrápida." 

Los investigadores pretenden continuar el trabajo no sólo demostrando el potencial del nuevo material para una variedad de aplicaciones, sino también desarrollando una mejor comprensión de su física. "Todavía hay muchos misterios que no entendemos del todo y que son fundamentalmente muy intrigantes", dice Ma.

Este trabajo ha contado con el apoyo del Departamento de Energía de EE.UU., la Fundación Gordon y Betty Moore, la Oficina de Investigación Científica de las Fuerzas Aéreas de EE.UU., la Fundación Nacional de la Ciencia de EE.UU., el Ministerio de Educación, Cultura, Deportes, Ciencia y Tecnología (MEXT) de Japón y el Ministerio de Ciencia y Tecnología de Taiwán.

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MIT

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