T’imagines poder controlar les propietats d'un material només aplicant-li llum? Estem acostumats a veure que la temperatura dels materials augmenta quan s'exposen al sol. Però la llum també pot tenir efectes més subtils. De fet, els fotons de llum poden crear parells de càrregues lliures en materials que, d'altra manera, serien aïllants. Aquest és el principi bàsic dels panells fotovoltaics que fem servir per recollir l'energia elèctrica de el sol.
En un nou gir, es podria utilitzar un canvi en les propietats dels materials induït per la llum en dispositius de memòria, permetent un emmagatzematge més eficient de la informació i un accés i computació més ràpids.
Aquest és, de fet, un dels reptes actuals de la nostra societat: poder desenvolupar dispositius electrònics d'alt rendiment i disponibles al mercat, que siguin, al mateix temps, eficients des del punt de vista energètic. Dispositius electrònics més petits amb menor consum d'energia i d'alt rendiment i versatilitat.
Ara, investigadors de l'Institut de Ciència de Materials de Barcelona (ICMAB, CSIC) han estudiat materials ferroelèctrics fotosensibles integrats en dispositius basats en nanotecnologia i efectes quàntics. Han dissenyat memòries capaces d'emmagatzemar informació no volàtil en diferents estats de resistència (ON/OFF). Han descobert que, quan es dissenyen adequadament, la resistència elèctrica d'aquests materials pot ser modulada usant llum polsada. Això vol dir que poden passar d'un estat de baixa resistència a un d’alta resistència només per l'aplicació de polsos de llum.
"Els materials que mostren canvis de resistència sota una il·luminació són abundants, encara que l'efecte és típicament volàtil i el material recupera el seu estat inicial després d'algun temps de permanència" diu l'investigador de l'ICMAB Ignasi Fina, coautor de l'estudi. "Per als dispositius que es volen utilitzar en la informàtica i l'emmagatzematge de dades en un futur, és d’un enorme interès poder controlar òpticament i de manera no volàtil la resistència elèctrica del material" i afegeix "amb ‘no volàtil’ volem dir que la informació roman al dispositiu, fins i tot quan la font d'alimentació està apagada".
Actualment calen dos dispositius diferents per utilitzar els senyals òptics per a l'emmagatzematge no volàtil de dades: un sensor optoelectrònic i un dispositiu de memòria. L'estudi de l'ICMAB demostra que aquestes dues propietats es poden combinar en un únic material capaç de modular la seva resistència mitjançant llum polsada: un material foto- ferroelèctric.
Els materials ferroelèctrics tenen polarització elèctrica espontània no volàtil commutable. Utilitzant unes capes ultrafines d'aquest material ferroelèctric, intercalades entre uns metalls apropiats, apareix un efecte de fenomen mecànic-quàntic anomenat corrent de túnel. Aquest efecte permet que un corrent de càrrega flueixi a través de la capa ferroelèctrica, que és un aïllant elèctric, en una quantitat que depèn de la direcció de la seva polarització.
En els dispositius explorats, primer s'utilitza un camp elèctric per escriure els estats ON/OFF, i es combina amb l'estímul òptic per promoure els canvis d'estats ON/OFF, i modular de manera reversible la resistència (d'alta a baixa) .
Aquests dispositius són eficients energèticament per dues raons principals: en primer lloc, el consum d'energia es redueix en el moment d'escriure l'estat de memòria, ja que no necessita un flux de corrent de càrrega. En segon lloc, com que la informació s'emmagatzema de forma no volàtil, l'estat es conserva i no hi ha necessitat de refrescar la informació (re-escriure) com es fa contínuament en les memòries RAM actuals de tots els ordinadors, per exemple.
Aquest fenomen d'interruptor òptic observat no es limita als materials estudiats i, per tant, obre un camí cap a noves investigacions sobre aquest fenomen.
Respecte a futures aplicacions, Ignasi Fina explica “Els dispositius estudiats combinen funcions de sensor de llum i de memòria. A més, com es demostra a l'estudi, el dispositiu es comporta com un memristor. Un memristor és un dispositiu que pot mostrar múltiples estats de resistència segons l'estímul que ha rebut, i és un dels dispositius bàsics per al desenvolupament de sistemes de computació neuromòrfica. Per tant, el dispositiu desenvolupat obre un camí a explorar en relació a la seva integració sistemes de visió neuromòrfica, on el sistema aprèn a reconèixer imatges.”
L'estudi s'ha publicat a Nature Communications. Un dels autors, Ignasi Fina, ha estat premiat amb una beca Leonardo de la Fundació BBVA per seguir explorant aquest tema.
Referència:
Non-volatile optical switch of resistance in photoferroelectric tunnel junctions
Xiao Long, Huan Tan, Florencio Sánchez, Ignasi Fina, Josep Fontcuberta
Nature Communications, 2021
_20210324092110.png)
