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Transiciones de fase a un nuevo universo cuántico
El descubrimiento de una nueva clase de transición cuántica abre el camino para un nuevo subcampo de la física de materiales y las tecnologías cuánticas.
Esta semana un artículo en Nature Physics informa de los resultados de las propiedades cuánticas de cristales ferroeléctricos, dirigido por Stephen Rowley, junto con Siddharth Saxena y Gilbert Lonzarich del Laboratorio Cavendish. Exploran un nuevo tipo de transición de fase cuántica en estos materiales aparentemente «inertes».
Las transiciones de fase cuánticas son sutilmente diferente de las familiares transiciones de fase clásicas de los cuales un ejemplo sería la congelación del agua o la fusión del hielo cuando su temperatura varía. En esa transición, se transforma la materia en un estado más o menos ordenado en función de si su temperatura se reduce o se incrementa. Sin embargo, si la temperatura se fija hipotéticamente en el cero absoluto y otro parámetro, tal como la presión se aplica para llevar a cabo una transición, se produciría sin ningún cambio en la entropía, es decir, sería una transición «de orden a orden». En las proximidades de una transición de fase con entropía cero, se encuentra a menudo la aparición de la superconductividad u otras formas de nuevo orden cuántico.
Los ferroeléctricos son materiales que comprenden dipolos eléctricos en las celdas de la unidad de la red cristalina. Debido a las interacciones entre ellos, estos dipolos se pueden alinear resultando campos eléctricos ordenados que impregnan el cristal. Mediante el uso de la presión, química, o sustitución isotópica, los ferroeléctricos se pueden modular en un régimen crítico cuántico donde existen fluctuaciones dipolares en un espacio de cuatro dimensiones eficaz y surgen debido a la criticidad de vibraciones polares cuantificados de la red. Esta física es muy diferente a la encontrada en otros sistemas críticos cuánticos que se centran en espín electrónico o grados de libertad. Curiosamente el espectro de fluctuación que se encuentra en ferroeléctricos críticos cuánticos es el mismo que en los modos de partículas elementales que se propagan en tres dimensiones espaciales más una dimensión de tiempo.
Fuente: «Ferroelectric quantum criticality.» S. E. Rowley, et al. Nature Physics (2014) DOI: 10.1038/nphys2924 . Received 04 January 2013 Accepted 14 February 2014 Published online 30 March 2014
Ferroeléctricos elaborados en substrato plástico
Memorias ferroeléctricas, matrices de captación de energía, sensores, actuadores, pronto podrían ser fabricados en materiales plásticos, de acuerdo con los investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia, que ha demostrado recientemente un nuevo proceso de baja temperatura utilizando un microscopio de fuerza atómica (AFM).
Utilizando un proceso denominado nanolitografía termoquímica, un equipo dirigido por el profesor de Georgia Tech NazaninBassiri-Gharb ha descubierto un proceso de baja temperatura para el depósito de los materiales ferroeléctricos en substratos de plástico. El grupo, que también incluye al becario postdoctoral Suenne Kim, la profesora Elisa Riedo, y graduado asistente Yaser Bastani, han demostrado recientemente que las estructuras ferroeléctricas a nanoescala se podrían utilizar para los dispositivos ferroeléctricos fabricados en polímeros baratos.
Usando la punta caliente de un AFM, el grupo fabricño estructuras ferroeléctricas adecuadas para los dispositivos semiconductores, o MEMS, como sensores y actuadores, incluyendo cables de sólo 30 nanómetros de ancho y esferas tan sólo 10 nm de diámetro. Para las memorias ferroeléctricas, el grupo estima que densidades de hasta 200 gigabytes por pulgada cuadrada (una pulgada equivale a 2.54 cm) pueden ser fabricadas con el proceso.
La investigación fue realizada en colaboración con la Universidad de Illinois(Urbana-Champaign) y la Universidad de Nebraska (Lincoln). La financiación fue proporcionada por la National Science Foundation y el Departamento de Energía de EE.UU..
Los ferroeléctricos podrían allanar el camino para la informática de consumo ultrabajo
Los ingenieros de la Universidad de California, Berkeley (EE.UU.) , han demostrado que es posible reducir la tensión mínima necesaria para almacenar la carga en un condensador, un logro que podría reducir el consumo de energía y la generación de calor de los actuales dispositivos electrónicos.
En la imagen se muestra una versión experimental de una pila hecha con una capa de titanato de plomo y zirconio, un material ferroeléctrico. Investigadores de UC Berkeley demostraron que esta configuración podría amplificar la carga en la capa de titanato de estroncio, un aislante eléctrico, para un determinado voltaje, un fenómeno conocido como capacidad negativa. (Imagen Asif Khan)
Los investigadores han presentado una demostración que prueba el concepto de efecto negativo de capacidad en una escala nanométrica en una heteroestructura ferroeléctrico-dieléctrico. En una bicapa de ferroeléctricos Pb (Zr0.2Ti0.8) O3 y el dieléctrico SrTiO3, la capacidad del compuesto se observó era superior que la del constituyente SrTiO3, lo que indica una capacidad efectiva negativa del constituyentes Pb(Zr0.2Ti0.8)O3 . La temperatura se muestra como un parámetro de ajuste efectivo de la capacidad ferroeléctrica negativa y el grado de mejora de capacidad en la heteroestructura. Los cálculos basados en la teoría del campo medio de Landau muestran un acuerdo cualitativo con los efectos observados. Este trabajo sostiene la posibilidad de que mediante la sustitución de las puertas de óxido por ferroeléctricos en transistores a nanoescala, la pendiente puede descender por debajo del umbral límite clásico (60 mV / década).
El equipo publicó sus resultados el 12 de septiembre ne la revista Applied Physics Letters. El experimento prepara el escenario para una importante actualización de los transistores, el interruptor de encendido y apagado que genera los ceros y unos del lenguaje binario de los ordenadores.
«Este trabajo es la prueba del principio que es necesario para llevar adelante la capacidad negativa como una estrategia viable para superar el consumo de energía de los actuales transistores», dijo Salahuddin, el primero que teorizó la existencia de capacidad negativa en materiales ferroeléctricos, como estudiante de posgrado con el profesor de ingeniería Supriyo Datta en la Universidad de Purdue (EE.UU.). «Si podemos usar esto para crear transistores de bajo consumo de energía sin comprometer el rendimiento y la velocidad con la que trabajan, se podría cambiar la industria de la informática general.»
Los investigadores han emparejado un material ferroeléctrico, titanato de plomo y zirconio (PZT), con un aislante dieléctrico, titanato de estroncio (STO), para crear una pila de dos capas. El voltaje se aplica a esta estructura PZT-STO, así como a una capa de STO sola, y se compara la cantidad de carga almacenada en ambos dispositivos.
«Hubo una caída de tensión en espera de obtener una carga específica con el material dieléctrico», dijo Salahuddin. «Pero con la estructura ferroeléctrica, hemos demostrado una mejora de la tensión de dos veces con la carga con el mismo voltaje, y que el aumento podría ser mucho más elevado.»
La solución propuesta por Saladino y su equipo consiste en modificar los transistores actuales para que incorporen materiales ferroeléctricos en su diseño, un cambio que podría generar una carga mayor de un voltaje menor. Esto permitirá a los ingenieros hacer un transistor que disipe menos calor.
En particular, el sistema con el material que los investigadores de UC Berkeley informaron, muestra este efecto por encima de 200 grados Celsius, mucho más caliente que los 85 grados a que trabajan los actuales microprocesadores.
Los investigadores ahora están explorando nuevos materiales ferroeléctricos para capacidad negativa a temperatura ambiente, además de la incorporación de los materiales en un nuevo transistor
Hasta entonces, Salahuddin señala que existen otras posibles aplicaciones en la electrónica para los ferroeléctricos. «Este es un buen sistema para memorias dinámicas de acceso aleatorio, dispositivos de almacenamiento de energía, súpercondensadores que impulsen los coches eléctricos y condensadores de potencia para su uso en comunicaciones de radio frecuencia».
Fuente: Experimental evidence of ferroelectric negative capacitance in nanoscale heterostructures
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