¿Un “defecto” como ventaja? Las microfisuras en cristales podrían acelerar tu tecnología 100 veces

Especialistas de la Universidad de Míchigan han revelado el mecanismo físico que subyace en el funcionamiento de un nuevo tipo de materiales. Se trata de nitruros ferroeléctricos con estructura wurtzita: compuestos capaces de almacenar información mediante campos eléctricos. Zetian Mi, catedrático de ingeniería Pallab K. Bhattacharya, destaca el potencial revolucionario de este descubrimiento para toda la industria electrónica.

Durante años tras el hallazgo de estos compuestos, los científicos no lograban explicar cómo podían coexistir en una misma estructura polarizaciones eléctricas opuestas. Según las leyes de la física, dicha configuración debería destruirse de inmediato, pero en la práctica el sistema permanecía estable.

La naturaleza de la polarización eléctrica es similar al magnetismo, pero con sus propias particularidades. Un campo magnético se caracteriza por tener polos norte y sur, mientras que en la polarización eléctrica se forman regiones con carga positiva y negativa. Al aplicar un campo eléctrico externo, es posible invertir la polarización: las zonas positivas se vuelven negativas y viceversa. Al cesar el estímulo, la nueva configuración se conserva, lo cual permite utilizar este fenómeno para el almacenamiento de datos.

Los estudios demostraron que el cambio de polarización no afecta al material como un todo. Se forman zonas locales —dominios—, donde una parte mantiene su orientación inicial y otra adopta la opuesta. En las fronteras entre zonas, especialmente donde coinciden extremos con la misma carga positiva, surgen fuerzas de repulsión intensas. Hasta hace poco era un misterio por qué estas fuerzas no destruían la estructura del material.

La respuesta llegó gracias al trabajo conjunto del equipo experimental liderado por Mi y el grupo teórico encabezado por Emmanuel Kioupakis, profesor de ciencia e ingeniería de materiales. A nivel atómico, en los límites entre dominios se produce una ruptura microscópica de la red cristalina. De forma paradójica, esa ruptura se convierte en el factor estabilizador del sistema.

En las zonas horizontales de unión, donde se encuentran extremos cargados positivamente, la geometría regular del cristal se distorsiona. Aparecen múltiples enlaces de valencia libres que contienen electrones con carga negativa. Estos portadores libres contrarrestan de forma ideal el exceso de carga positiva en los bordes de cada dominio.

Los ensayos de laboratorio se realizaron con muestras de nitruro de galio y escandio. Mediante microscopía electrónica, los científicos observaron que en las zonas de contacto entre dominios la típica estructura hexagonal del cristal cambiaba durante varios planos atómicos. Las mediciones revelaron una reducción en la distancia entre capas en comparación con el estado normal. Para analizar con precisión la configuración de los enlaces rotos, se utilizó la teoría del funcional de densidad: un método cuántico que permite calcular la distribución de densidad electrónica en sistemas de muchos átomos.

Los resultados permitieron al profesor Kioupakis esclarecer la naturaleza única del fenómeno observado. La compensación de carga no es una coincidencia: está directamente relacionada con la geometría tetraédrica de la red cristalina. En esta estructura, cada átomo central está rodeado por cuatro átomos en las esquinas de un tetraedro perfecto. Esta disposición crea las condiciones ideales para formar cargas compensatorias en los bordes de los dominios. Este mecanismo de estabilización es universal para todos los ferroeléctricos tetraédricos —una familia de materiales que atrae creciente interés en el diseño de dispositivos electrónicos de nueva generación.

La utilidad práctica del descubrimiento superó su importancia teórica. En las fronteras de los dominios, los electrones en enlaces libres forman un canal conductor único, cuyos parámetros pueden controlarse. A través de esta “autopista” fluye una corriente eléctrica que supera en alrededor de 100 veces el rendimiento de los transistores convencionales basados en nitruro de galio. Esta estructura es fácilmente modulable: se puede activar o desactivar el flujo de electrones, desplazar la zona activa dentro del material o ajustar la intensidad de la corriente modificando el campo eléctrico que determina la polarización.

El equipo científico ya ha comenzado a desarrollar un transistor de efecto de campo que aprovecha estas propiedades. Los componentes en desarrollo serán capaces de operar con corrientes y frecuencias elevadas, abriendo nuevas oportunidades para la electrónica de potencia. La tecnología resulta especialmente prometedora para sistemas de computación cuántica, donde se requiere un control extremadamente preciso sobre el estado de las partículas individuales.