Un artículo científico de docentes de la FCEIA que fue publicado en la revista Physical Review Letters, presenta avances de estudios de simulaciones computacionales, que podrían dar lugar al desarrollo de memorias permanentes más eficientes.
Rodrigo Machado, Marcelo Sepliarsky y Marcelo Stachiotti son docentes y egresados de la Facultad, quienes también se desempeñan como investigadores en el Instituto de Física Rosario (IFIR). Su estudio se centra en la realización de experimentos computacionales en Física, en especial llevan adelante simulaciones con dinámica molecular. También es parte del equipo Franco Di Rino, también egresado de la FCEIA, que actualmente trabaja en República Checa. El grupo además forma parte del consorcio europeo 3D-TOPO HORIZON-
MSCA-SE.
Physical Review Letters es una revista científica de gran prestigio a nivel mundial y en esta oportunidad, además de publicar el artículo científico y se incorporó la novedad en la tapa. El mismo es de acceso abierto en el siguiente enlace: https://www.researchgate.net/publication/403137533_Intertwined_Swirling_Polarization_States_in_BaTiO_3_with_Embedded_BaZrO_3_Nanoregions
Materiales ferroeléctricos
“Trabajamos con ferroeléctricos, materiales esenciales para fabricar memorias permanentes llamadas FRAM”, explica Rodrigo Machado y explica que estas memorias permiten acceder y reescribir datos sin que la información se pierda al retirar el voltaje, lo cual es posible porque la polarización permanece.
Estos materiales poseen una polarización eléctrica que puede orientarse mediante un campo externo. “Si aplicamos un campo hacia arriba, la polarización sigue esa dirección; si lo aplicamos hacia abajo, cambia su sentido. Para entender cómo funcionan, Machado propone analizar tres niveles: la polarización macroscópica, que es el comportamiento global del material que permite operar el dispositivo electrónico; la polarización local, que se explica porque el material está compuesto por millones de unidades mínimas llamadas celdas unitarias (en este caso, de titanato de bario: BaTiO3). Cada una tiene su propia polarización y, al aplicar un campo, todas buscan alinearse. Por último, la textura, el "dibujo" o patrón que forman esas polarizaciones locales al interactuar entre sí” cuenta Rodrigo Machado.
Históricamente, los dispositivos se han diseñado para que estas polarizaciones —que podemos imaginar como pequeños vectores o flechas— estén todas alineadas en la misma dirección. “El foco de nuestra investigación centra en la textura, el dibujo que forman las polarizaciones locales. Para estudiarlo, tomamos el titanato de bario y realizamos simulaciones donde insertamos pequeñas inclusiones de otro material muy similar, el circonato de bario, que tiene una diferencia fundamental con el titanato de bario, el circonato de bario no es ferroeléctrico; es decir, no reacciona al campo eléctrico ni genera polarización. Al introducir estos puntos inactivos en una matriz de titanato de bario, logramos interrumpir el comportamiento uniforme del material” explica Rodrigo Machado.
El arte de diseñar texturas
El equipo encontró que, ajustando el tamaño de estas inclusiones y la distancia entre ellas, se puede dibujar y cambiar la textura del material. Al aplicar un campo eléctrico, en lugar de que todos los vectores se alineen en una sola dirección, se encuentran con estos obstáculos y forman estructuras como Anti-erizos (Anti-hedgehogs), es decir, si un erizo tiene sus púas apuntando hacia afuera, en este caso los vectores de polarización hacen lo opuesto: se orientan todos hacia el centro de la inclusión de circonato. También se crean vórtices, alrededor de estas inclusiones, las polarizaciones comienzan a girar, creando remolinos o vórtices que cambian por completo el mapa del material.
Hacia una nueva electrónica
El docente de la FCEIA explica que en este estado, la polarización macroscópica (el promedio de todas las fuerzas) es cero. A simple vista, el material parece no tener carga polarización. Sin embargo, al aplicar un campo externo, estas texturas ocultas reaccionan y generan un comportamiento macroscópico distinto al tradicional.
La relevancia de este avance en investigación básica radica en su potencial para transformar la tecnología que usamos a diario. Actualmente, ya contamos con memorias ferroeléctricas permanentes, pero la introducción de estas nuevas texturas —los vórtices y anti-erizos— propone otras posibilidades.
“Al controlar estas formas microscópicas, se puede lograr que el material responda con un menor voltaje operacional. Esto se traduce en dos beneficios directos, como la mayor eficiencia porque permite un consumo eléctrico mucho más bajo, ideal para dispositivos portátiles y sustentables y la miniaturización: Al requerir menos energía para funcionar, los componentes pueden hacerse cada vez más pequeños sin perder estabilidad” explica Machado.
Este estudio aporta las bases científicas para una nueva generación de memorias permanentes que, aunque hoy se encuentran en fase de prototipo, prometen dispositivos más potentes, compactos y eficientes.
