Foto: Si se cultivan los materiales ferroeléctricos en un patrón de espiga, como se ve en esta imagen coloreada, quizá podrían usarse como transistores.

Tras décadas de reinvenciones, el transistor de silicio empieza a quedarse viejo y la industria está a la caza de alternativas. Una de las posibles opciones implica una nueva forma de manipular las propiedades de un material que ya usa la industria de la computación. Si funciona, daría lugar a procesadores que no sólo son más eficaces en términos energéticos, sino también capaces tanto de computar como de almacenar memoria al mismo tiempo.

Tras numerosas pruebas, los investigadores han descubierto que pueden conseguir que los materiales ferroeléctricos -ampliamente utilizados para almacenar datos usando una carga eléctrica- cambien rápidamente entre cuatro estados distintos. Un transistor hecho con este material podría usar esos estados para representar algo más que los 1s y 0s que forman la base de la lógica digital actual; podría mantener cada estado sin necesidad de una fuente de energía externa; y podría procesar información además de almacenarla.

Los transistores de silicio ya se han encogido hasta la nanoescala y están llegando a su límite en rendimiento, empiezan a tener problemas en cuanto al consumo energético, la disipación del calor y la velocidad. Puede que para superar estos retos hagan falta dispositivos que funcionen de forma completamente distinta, afirma el investigador del Centro de Investigación Watson de IBM en Nueva York (EEUU), Thomas N. Theis, quien además es director ejecutivo de la Iniciativa de Investigación en Nanoelectrónica en la Corporación de Investigación de Semiconductores, un consorcio industrial.

Una de las principales ventajas de los materiales ferroeléctricos es que no son nuevos para la industria de los semiconductores, explica el científico de los materiales de la Universidad de California en Berkeley (EEUU), Lane Martin, quien ha dirigido las nuevas investigaciones. Empresas como Fujitsu y Texas Instruments ya fabrican dispositivos de memoria ferroeléctricos. "Estamos trabajando en una nueva versión de estos materiales, para que, si las empresas quieren adoptarla, no haga falta un proceso de 10 años de adaptación" como suele suceder con los nuevos materiales, afirma Martin.

Martin colabora con el químico teórico Andrew Rappe en la Universidad de Pennsylvania (EEUU) para hacer modelos y pruebas con materiales ferroeléctricos.

Igual que los transistores de silicio, las células ferroeléctricas pueden alternar entre distintos estados para representar bits de información. Pero la física de esta alternancia es fundamentalmente distinta. En vez de alternar entre los estados conductor y aislante, los materiales ferroeléctricos cambian la polarización eléctrica, la orientación de las cargas dentro del material.

Los materiales ferroeléctricos tienen una polarización eléctrica natural y se puede cambiar la carga al sentido contrario usando un campo eléctrico. Por el momento esta alternancia de una a otra carga, que tarda unos nanosegundos en realizarse, es lo suficientemente rápida para almacenar datos, pero demasiado lenta para procesarlos; y consume una cantidad considerable de energía.

Rappe predijo que cultivando cristales ferroeléctricos en un ángulo concreto y aplicando el campo eléctrico desde un ángulo distinto al habitual, los materiales alternarían de otra forma. Además de arriba y abajo, hay estados intermedios que Martin denomina "estados laterales".

Martin fabricó células de varios materiales ferroeléctricos, entre ellos el titanato zirconato de plomo, y demostró que se pueden alternar mucho más rápido, y a voltajes menores, cuando la transición del estado va de arriba a lateral a abajo que cuando va de arriba a abajo directamente. Los resultados aparecieron  publicados la semana pasada en la revista Nature Materials. Martin afirma además que estos interruptores ferroeléctricos funcionan al menos dos o tres veces más rápido que los diseños convencionales.

El trabajo parece representar "un avance bastante sustancial" en la comprensión de estos materiales, según Theis de IBM.

Martin afirma que él y Rappe han ido más allá de usar los materiales ferroeléctricos para la memoria. Una idea es combinar estos ferroeléctricos con silicio para crear lo que en efecto serían nuevos tipos de transistores. Un dispositivo de este tipo sería muy eficaz energéticamente y combinaría la computación y la memoria en uno, explica Martin. "Podrías volver al punto en el que estabas si la corriente se corta, algo práctico para uso doméstico y que ahorraría dinero a los centros de datos", concluye el investigador.