Representación artística de la estructura nanoscópica del 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. Crédito:Schematic por Ella Maru Studio
Los investigadores y colegas del MIT han descubierto una propiedad electrónica importante e inesperada del grafeno, un material descubierto hace solo unos 17 años que sigue sorprendiendo a los científicos con su interesante física. La obra, que involucra estructuras compuestas por capas atómicamente delgadas de materiales que también son biocompatibles, podría marcar el comienzo de una nueva, 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.
El trabajo también presenta nueva física que los investigadores están emocionados de explorar.
"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 una generación completa de nuevos materiales ferroeléctricos. "dice Pablo Jarillo-Herrero, el profesor de física Cecil e Ida Green en el 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 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 el trabajo actual, que se informó el pasado mes de diciembre en Naturaleza , los investigadores del MIT y sus colegas 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 a lados opuestos, o postes. 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.
Zhiren (Isaac) Zheng sostiene una muestra de la nueva estructura ferroeléctrica creada por investigadores y colegas del MIT (pequeño cuadrado negro con bordes dorados sobre la cabeza de Zheng). La estructura de oro es el interior de un refrigerador de dilución libre de criógeno que los investigadores utilizaron para medir las nuevas estructuras ferroeléctricas. Crédito:Sergio de la Barrera, MIT
Por todas estas razones, Los materiales ferroeléctricos se utilizan en una variedad de sistemas electrónicos, desde ecografías médicas hasta tarjetas de identificación por radiofrecuencia (RFID).
Ferroeléctricos convencionales, sin embargo, son aislantes. El ferroeléctrico del equipo liderado por el MIT basado en grafeno 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, estudiante de posgrado en física del MIT y primer autor del artículo de Nature.
Qiong Ma, MIT Ph.D. 2016, 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 asociado postdoctoral a través del Laboratorio de Investigación de Materiales (MRL) del MIT.
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 está en un ángulo ligeramente diferente de la otra. Mirando desde arriba el resultado es un patrón único llamado superrejilla muaré. Un patrón de muaré, Sucesivamente, "puede cambiar drásticamente las propiedades de un material, "Dice Zheng.
El grupo de Jarillo-Herrero demostró un importante ejemplo de esto en 2018. En ese trabajo, también reportado en Naturaleza , los investigadores apilaron dos capas de grafeno. Esas capas sin embargo, no estaban exactamente uno encima del otro; bastante, uno fue girado ligeramente en un "ángulo mágico" de 1,1 grados. La estructura resultante creó un patrón 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, "según una noticia del MIT en ese momento.
"Entonces, al crear esta estructura de muaré, el grafeno ya no es grafeno. Casi mágicamente se convierte en algo muy, muy diferente, "Dice mamá.
En el trabajo actual, los investigadores crearon un patrón muaré con láminas de grafeno y nitruro de boro que ha dado como resultado 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 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, pero también desarrollando una mejor comprensión de su física. "Todavía hay muchos misterios que no entendemos completamente y que son fundamentalmente muy intrigantes, "Dice mamá.
