Los materiales ultrafinos hechos de una sola capa de átomos han llamado la atención de los científicos desde el descubrimiento del primer material de este tipo, el grafeno, hace unos 17 años. Entre otros avances desde entonces, investigadores, incluidos los de un laboratorio pionero en el MIT, han descubierto que apilar hojas individuales de materiales 2D, y a veces torciéndolos en un ligero ángulo entre sí, puede darles nuevas propiedades, de la superconductividad al magnetismo.

Ahora, los físicos del MIT del mismo laboratorio y sus colegas han hecho exactamente eso con el nitruro de boro, conocido como "grafeno blanco" en parte porque tiene una estructura atómica similar a su famoso primo. El equipo ha demostrado que cuando dos hojas individuales de nitruro de boro se apilan paralelas entre sí, el material se vuelve ferroeléctrico, en el que las cargas positivas y negativas en el material se dirigen espontáneamente a diferentes lados, o postes. Tras la aplicación de un campo eléctrico externo, esos cargos cambian de bando, invertir la polarización. En tono rimbombante, todo esto sucede a temperatura ambiente.

El nuevo material, que funciona a través de un mecanismo que es completamente diferente a los materiales ferroeléctricos existentes, podría tener muchas aplicaciones.

"Ya se han descubierto una amplia variedad de propiedades físicas en varios materiales 2D. Ahora podemos apilar fácilmente el nitruro de boro ferroeléctrico con otras familias de materiales para generar propiedades emergentes y nuevas funcionalidades, "dice Pablo Jarillo-Herrero, la profesora de Física Cecil e Ida Green y líder del trabajo, que se informó en la revista Science. Jarillo-Herrero también está afiliado al Laboratorio de Investigación de Materiales del MIT.

Además de Jarillo-Herrero, Los autores adicionales del artículo son Kenji Yasuda, becario postdoctoral del MIT; Xirui Wang, un estudiante graduado del MIT en física, y Kenji Watanabe y Takashi Taniguchi del Instituto Nacional de Ciencia de Materiales de Japón.

Aplicaciones potenciales

Entre las posibles aplicaciones del nuevo material ferroeléctrico ultrafino, "una posibilidad interesante es utilizarlo para un almacenamiento de memoria más denso, "dice Yasuda, autor principal del artículo de Science. Esto se debe a que el cambio de polarización del material podría usarse para codificar unos y ceros (información digital) y esa información se mantendrá estable a lo largo del tiempo. No cambiará a menos que se aplique un campo eléctrico. En el artículo de Science, el equipo informa de un experimento de prueba de principio que muestra esta estabilidad.

Debido a que el nuevo material tiene solo una milmillonésima parte de un metro de espesor, es uno de los ferroeléctricos más delgados jamás fabricados, también podría permitir un almacenamiento de memoria de computadora mucho más denso.

El equipo descubrió además que torcer las hojas paralelas de nitruro de boro en un ligero ángulo entre sí daba como resultado otro "tipo completamente nuevo de estado ferroeléctrico, "Dice Yasuda. Este enfoque general, conocido como twistronics, fue iniciada por el grupo Jarillo-Herrero, que lo utilizó para lograr una superconductividad no convencional en el grafeno.

Nueva Física

El nuevo material ferroeléctrico ultrafino también es emocionante porque involucra nueva física. El mecanismo de funcionamiento es completamente diferente al de los materiales ferroeléctricos convencionales.

Dice Yasuda, "La conmutación ferroeléctrica fuera del plano se produce a través del movimiento deslizante en el plano entre dos láminas de nitruro de boro. Este acoplamiento único entre la polarización vertical y el movimiento horizontal es posible gracias a la rigidez lateral del nitruro de boro".

Hacia otros ferroeléctricos

Yasuda señala que se podrían producir otros ferroeléctricos nuevos utilizando la misma técnica descrita en Science. "Nuestro método para convertir un material de partida no ferroeléctrico en un ferroeléctrico ultrafino se aplica a otros materiales con estructuras atómicas similares al nitruro de boro, para que podamos ampliar enormemente la familia de ferroeléctricos. Hoy en día solo existen unos pocos ferroeléctricos ultrafinos, ", dice. Los investigadores están trabajando actualmente con ese fin y han obtenido algunos resultados prometedores.

El laboratorio Jarillo-Herrero es pionero en manipular y explorar ultrafinos, materiales bidimensionales como el grafeno. Sin embargo, la conversión de nitruro de boro ultrafino en un ferroeléctrico fue inesperada.

Dice Xirui Wang:

"Todavía recuerdo cuando estábamos haciendo las mediciones y vimos un salto inusual en los datos. Decidimos que deberíamos ejecutar el experimento nuevamente, y cuando lo hicimos una y otra vez confirmamos que había algo nuevo ".