• Se espera que la nueva tecnología, que permite el almacenamiento de información en la unidad más delgada conocida por la ciencia, mejore los futuros dispositivos electrónicos en términos de densidad, velocidad y eficiencia.
• El túnel de electrones mecánico-cuántico permitido a través de la película atómicamente delgada puede impulsar el proceso de lectura de información mucho más allá de las tecnologías actuales.
• La tecnología implica el deslizamiento lateral de capas de boro y nitrógeno de un átomo de espesor sobre el otro, una nueva forma de encender /apagar la polarización eléctrica.

Un avance científico: investigadores de la Universidad de Tel Aviv han diseñado la tecnología más pequeña del mundo, con un espesor de solo dos átomos. Según los investigadores, la nueva tecnología propone una forma de almacenar información eléctrica en la unidad más delgada conocida por la ciencia, en uno de los materiales más estables e inertes de la naturaleza.  El túnel de electrones mecánico-cuántico permitido a través de la película atómicamente delgada puede impulsar el proceso de lectura de información mucho más allá de las tecnologías actuales.

La investigación fue realizada por científicos de la Raymond and Beverly Sackler School of Physics and Astronomy  y Raymond and Beverly Sackler School of Chemistry. El grupo incluye a Maayan Vizner Stern, Yuval Waschitz, Dr. Wei Cao, Dr. Iftach Nevo, Prof. Eran Sela, Prof. Michael Urbakh, Prof. Oded Hod y Dr. Moshe Ben Shalom. El trabajo se publica ahora en la revista Science.

“Nuestra investigación surge de la curiosidad sobre el comportamiento de átomos y electrones en materiales sólidos, que ha generado muchas de las tecnologías que apoyan nuestra forma de vida moderna”, dice el Dr. Ben Shalom. “Nosotros (y muchos otros científicos) tratamos de entender, predecir e incluso controlar las fascinantes propiedades de estas partículas a medida que se condensan en una estructura ordenada que llamamos un cristal. En el corazón de la computadora, por ejemplo, se encuentra un pequeño dispositivo cristalino diseñado para cambiar entre dos estados que indican diferentes respuestas: “sí” o “no”, “arriba” o “abajo”, etc. Sin esta dicotomía, no es posible codificar y procesar la información. El desafío práctico es encontrar un mecanismo que permita cambiar en un dispositivo pequeño, rápido y económico.

Los dispositivos actuales de última generación consisten en pequeños cristales que contienen solo alrededor de un millón de átomos (alrededor de cien átomos en altura, ancho y grosor) de modo que un millón de estos dispositivos se pueden exprimir aproximadamente un millón de veces en el área de una moneda, con cada dispositivo cambiando a una velocidad de aproximadamente un millón de veces por segundo.

Tras el avance tecnológico, los investigadores pudieron, por primera vez, reducir el espesor de los dispositivos cristalinos a solo dos átomos. El Dr. Ben Shalom enfatiza que una estructura tan delgada permite que los recuerdos basados en la capacidad cuántica de los electrones salte de manera rápida y eficiente a través de barreras que tienen sólo varios átomos de espesor. Por lo tanto, puede mejorar significativamente los dispositivos electrónicos en términos de velocidad, densidad y consumo de energía.

En el estudio, los investigadores utilizaron un material bidimensional: capas de boro y nitrógeno de un átomo de espesor, dispuestas en una estructura hexagonal repetitiva. En su experimento, fueron capaces de romper la simetría de este cristal mediante el montaje artificial de dos de estas capas. “En su estado tridimensional natural, este material se compone de un gran número de capas colocadas una encima de la otra, con cada capa girada 180 grados en relación con sus vecinos (configuración antiparalela)”, dice el Dr. Ben Shalom. “En el laboratorio, pudimos apilar artificialmente las capas en una configuración paralela sin rotación, que hipotéticamente coloca átomos del mismo tipo en perfecta superposición a pesar de la fuerte fuerza repulsiva entre ellos (resultante de sus cargas idénticas). En realidad, sin embargo, el cristal prefiere deslizar una capa ligeramente en relación con la otra, de modo que sólo la mitad de los átomos de cada capa están en perfecta superposición, y los que se superponen son de cargas opuestas, mientras que todos los demás se encuentran por encima o por debajo de un espacio vacío, el centro del hexágono. En esta configuración de apilamiento artificial, las capas son bastante distintas entre sí. Por ejemplo, si en la capa superior solo los átomos de boro se superponen, en la capa inferior es al revés”.

El Dr. Ben Shalom también destaca el trabajo del equipo de teoría, que llevó a cabo numerosas simulaciones por computadora. “Juntos establecimos una comprensión profunda de por qué los electrones del sistema se organizan tal como los habíamos medido en el laboratorio. Gracias a esta comprensión fundamental, esperamos respuestas fascinantes en otros sistemas de capas rotos por simetría también”, dice.

Maayan Wizner Stern, el estudiante de doctorado que dirigió el estudio, explica: “La ruptura de simetría que creamos en el laboratorio, que no existe en el cristal natural, obliga a la carga eléctrica a reorganizarse entre las capas y generar una pequeña polarización eléctrica interna perpendicular al plano de la capa. Cuando aplicamos un campo eléctrico externo en la dirección opuesta, el sistema se desliza lateralmente para cambiar la orientación de polarización. La polarización conmutada permanece estable incluso cuando se apaga el campo externo. En esto, el sistema es similar a los sistemas ferroeléctricos tridimensionales gruesos, que son ampliamente utilizados en la tecnología actual”.

“La capacidad de forzar una disposición cristalina y electrónica en un sistema tan delgado, con propiedades únicas de polarización e inversión resultantes de las débiles fuerzas de Van der Waals entre las capas, no se limita al cristal de boro y nitrógeno”, añade el Dr. Ben Shalom. “Esperamos los mismos comportamientos en muchos cristales en capas con las propiedades de simetría correctas. El concepto de interlámina como una forma de deslizarse en forma original y eficiente de controlar dispositivos electrónicos avanzados es muy prometedor, y lo hemos llamado Slide-Tronics”.

Maayan Vizner Stern concluye: “Estamos entusiasmados con descubrir lo que puede suceder en otros estados que forzamos sobre la naturaleza y predecimos que otras estructuras que acoplan grados adicionales de libertad son posibles. Esperamos que la miniaturización y el deslizamiento mejoren los dispositivos electrónicos actuales y, además, permitan otras formas originales de controlar la información en dispositivos futuros. Además de los dispositivos informáticos, esperamos que esta tecnología contribuya a los detectores, el almacenamiento y conversión de energía, la interacción con la luz, etc. Nuestro desafío, tal y como lo vemos, es descubrir más cristales con nuevos y resbaladizos grados de libertad”.

El estudio fue financiado con el apoyo del Consejo Europeo de Investigación (ERC starting grant), la Israel Science Foundation (ISF) y el Ministerio de Ciencia y Tecnología (MOST).

Enlace al video de investigación: