• Un estudio liderado por la Universidad Complutense de Madrid descubre una nueva generación de materiales artificiales apilando dos cristales ultradelgados de óxidos cerámicos rotados entre sí.
• El trabajo, publicado en Nature, abre nuevas vías para aumentar la densidad de almacenamiento de información y la eficiencia energética de los dispositivos informáticos del futuro.

UCC-UCM, 14 de febrero de 2024.- Una investigación liderada por la Universidad Complutense de Madrid (UCM) ha conseguido ensamblar capas monocristalinas de óxidos cerámicos de tan sólo unos pocos átomos de espesor rotadas un ángulo arbitrario, que se enlazan para formar un nuevo cristal artificial que no existe en la naturaleza.

El trabajo, publicado en Nature, demuestra que en la interfase de unión entre capas ferroeléctricas rotadas de titanato de bario (BaTiO₃), aparecen propiedades emergentes que podrían producir una revolución en la ciencia y tecnología de materiales. El BaTiO₃ es un óxido cerámico conocido desde principios del siglo pasado, que como en el caso del grafeno, se ha producido en forma de cristales ultradelgados.

En la naturaleza los cristales crecen espontáneamente con facetas bien definidas gracias a que mantienen la orientación de los llamados ejes cristalinos, pudiendo alcanzar tamaños de decenas de metros y pesos de varias toneladas.

Hasta el momento, las modernas tecnologías de crecimiento de materiales explotan esta tendencia natural combinando capas muy delgadas de materiales diferentes, que se apilan unas encima de otras manteniendo rígidamente la orientación cristalina y la disposición de los átomos de las distintas capas. El resultado es la aparición de nuevas e interesantes propiedades en las interfases o superficies de unión entre las capas cristalinas, que han permitido, por ejemplo, la construcción de dispositivos electrónicos y su utilización en tecnologías de la información y de las comunicaciones.

En este trabajo se han fabricado cristales de óxidos con un nuevo grado de libertad que no existe en la naturaleza e imposible de conseguir hasta ahora: la rotación controlada entre capas cristalinas de espesor atómico, una estrategia que en un abuso de lenguaje denominamos “twistrónica” (del inglés twistronics). El enlace entre estas capas da lugar a un patrón estructural y de interacciones característico (patrón de moiré), que, según explican en el artículo cálculos teóricos de primeros principios realizados por Hugo Aramberri y Jorge Iñiguez del LIST (Luxemburgo), es el origen de las propiedades emergentes encontradas.

El trabajo demuestra que la rotación entre capas induce un estado ferroeléctrico nunca observado hasta ahora en el que se alternan vórtices (remolinos) de polarización eléctrica con un tamaño lateral muy pequeño (unos pocos átomos), y que podrían ser el elemento de información (bits) de memorias del futuro.

Jacobo Santamaría, director del grupo de Física de Materiales Complejos de la UCM, explica que este estado permitiría alcanzar densidades de almacenamiento que excederían los 100 Tbits/in² superando el actual límite de 1Tb/in² en el que se ha estancado la densidad de información de las memorias de los ordenadores desde hace unos años.  Esto permitiría afrontar el reto tecnológico y de sostenibilidad energética de un almacenamiento global de información que podría superar los yotta (10²⁴) bytes en la presente década.

Carlos León, investigador del mismo grupo añade que “más allá, este estudio abre todo un abanico de oportunidades para la observación y explotación de nuevos efectos y propiedades en otros óxidos cristalinos (y no solo óxidos) que presentan estados ferroicos o multiferroicos u otros estados colectivos.”

Además de la UCM, en el trabajo han participado el Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid ICMM-CSIC, el Materials Research and Technology Department, Luxembourg Institute of Science and Technology (LIST), y la Unidad Asociada UCM/CSIC, “Laboratorio de Heteroestructuras con aplicación en spintrónica”.

Referencia bibliográfica: G. Sánchez-Santolino, V. Rouco, S. Puebla, H. Aramberri, V. Zamora, M. Cabero, F. A. Cuellar, C. Munuera, F. Mompean, M. Garcia-Hernandez, A. Castellanos- Gomez, J. Íñiguez, C. Leon, J. Santamaria. A 2D ferroelectric vortex pattern in twisted BaTiO3 freestanding layers Nature (2024). https://www.nature.com/articles/s41586-023-06978-6.

Más información:

El estudio se llevó a cabo en el marco de los proyectos To2Dox del Flag ERA ERA-NET (EU Horizon 2020) PCI2020-112093 y AEI PID2020-118078RB-I00. Proyectos SINERGICO Y2020/NMT-6661 CAIRO-CM y “(MAD2D-CM)-UCM” financiados por la Comunidad de Madrid con Fondos de Recuperación TRansformación y Resilencia y NextGeneration de la Unión Europea.

Gabriel Sánchez-Santolino recibió financiación del Ministerio de Ciencia e Innovación (proyectos RTI2018-099054-J-I00 (MCI/AEI/FEDER, UE) y IJC2018-038164-I); y Víctor Rouco de la CM a través del Convenio Plurianual con la UCM, en su línea de Estímulo a la Investigación de Jóvenes Doctores, en el marco del V PRICIT (V Plan Regional de Investigación Científica e Innovación Tecnológica): proyecto PR27/21-021.

Con la colaboración de: