Investigadores del MIT descubrieron recientemente una propiedad electrónica importante, e inesperada, del grafeno, un material descubierto hace solo unos 17 años que continúa sorprendiendo a los científicos con su interesante física.

El trabajo de investigación, que involucra estructuras compuestas de capas atómicamente delgadas de materiales que también son biocompatibles, podría marcar el comienzo de nuevos paradigmas de procesamiento de información más rápidos. Una aplicación potencial es la computación neuromórfica, que tiene como objetivo replicar las células neuronales del cuerpo responsables de todo, desde el comportamiento hasta los recuerdos.

Una forma no convencional de ferroelectricidad podría afectar la computación de próxima generación

“Las heteroestructuras basadas en grafeno continúan produciendo sorpresas fascinantes. Nuestra observación de la ferroelectricidad no convencional en este sistema simple y ultradelgado 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, Catedrático de Física en el MIT y líder del trabajo, en 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 capas de grafeno pueden dar lugar a una variedad de propiedades importantes. Las estructuras basadas en grafeno pueden ser superconductores, que conducen la electricidad sin resistencia, o aislantes, que impiden el movimiento de la electricidad. Incluso se ha descubierto que muestran magnetismo.

En este trabajo, publicado en Nature, los investigadores del MIT muestran 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 combinar. Solo la aplicación de un campo eléctrico los forzará hacia lados opuestos, o polos. En un material ferroeléctrico, no es necesario ningún campo eléctrico externo para mantener las cargas separadas, dando lugar a una polarización espontánea. Sin embargo, la aplicación de un campo eléctrico externo tiene un efecto: un campo eléctrico de dirección opuesta hará que las cargas cambien de lado e inviertan la polarización.

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

Los ferroeléctricos convencionales, sin embargo, son aislantes. El ferroeléctrico basado en grafeno del equipo liderado por el MIT opera a través de un mecanismo completamente diferente, una física diferente, que le permite conducir electricidad. Y eso abre una miríada de aplicaciones adicionales. «Lo que hemos encontrado aquí es un nuevo tipo de material ferroeléctrico», dice Zhiren «Isaac» Zheng, un estudiante graduado del MIT en física y primer autor del artículo de Nature.

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

Además de Jarillo-Herrero, Zheng y Ma, los autores adicionales del artículo son Zhen Bi de la Universidad Estatal de Pennsylvania; Sergio de la Barrera, postdoctorado en el MRL; Ming-Hao Liu de la Universidad Nacional Cheng Kung; Nannan Mao, postdoctorado en el Laboratorio de Investigación de Electrónica del MIT; Yang Zhang, postdoctorado 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 en el 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, Lawrence C. (1944) del MIT y Sarah W. Biedenharn Profesora Asociada de Desarrollo de Carrera de Física, y Su-Yang Xu de la Universidad de Harvard.

Patrones importantes

La estructura que creó el equipo está compuesta por dos capas de grafeno, una bicapa, intercaladas entre capas atómicamente delgadas de nitruro de boro (BN) arriba y abajo. Cada capa BN se encuentra en un ángulo ligeramente diferente de la otra. Mirando desde arriba, el resultado es un patrón único llamado superrejilla muaré. Un patrón de muaré, a su vez, «puede cambiar drásticamente las propiedades de un material», dice Zheng.

El grupo de Jarillo-Herrero demostró un ejemplo importante de esto en 2018. En ese trabajo, también reportado en Nature, los investigadores apilaron dos capas de grafeno. Sin embargo, esas capas no estaban exactamente una encima de la otra; más bien, uno fue girado ligeramente en un «ángulo mágico» de 1,1 grados. La estructura resultante creó un patrón de muaré que a su vez permitió que el grafeno fuera un superconductor o un aislante, dependiendo de la cantidad de electrones en el sistema proporcionados por un campo eléctrico. Básicamente, el equipo pudo » ajustar el grafeno para que se comporte en dos extremos eléctricos «.

“Entonces, al crear esta estructura muaré, el grafeno ya no es grafeno. Casi mágicamente se convierte en algo muy, muy diferente”, dice Ma.

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

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

Los investigadores tienen como objetivo continuar el trabajo no solo 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 comprendemos completamente y que son fundamentalmente muy intrigantes», dice Ma.

Este trabajo fue apoyado por el Departamento de Energía de los EE. UU., La Fundación Gordon y Betty Moore, la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea de los EE. UU., La Fundación Nacional de Ciencias de los EE. UU., El Ministerio de Educación, Cultura, Deportes, Ciencia y Tecnología (MEXT) de Japón y el Ministerio de Ciencia y Tecnología de Taiwán.

Imagen de portada

Representación artística de la estructura nanoscópica de un nuevo material ferroeléctrico desarrollado por investigadores y colegas del MIT. Los puntos azules y dorados representan los átomos de boro y nitruro en dos láminas atómicamente delgadas de nitruro de boro. Entre estas hojas hay dos capas de grafeno; los puntos blanquecinos / azules representan átomos de carbono. Las líneas verticales doradas que atraviesan la figura representan el movimiento de los electrones.

Créditos: Imagen: Ella Maru Studio