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Usar la luz para almacenar información

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¿Puedes imaginarte controlar las propiedades de un material con sólo aplicarle luz? Estamos acostumbrados a ver que la temperatura de los materiales aumenta cuando se exponen al sol. Pero la luz también puede tener efectos más sutiles. De hecho, los fotones de luz pueden crear pares de cargas libres en materiales que de otro modo serían aislantes. Este es el principio básico de los paneles fotovoltaicos que usamos para recoger la energía eléctrica del sol.

En un nuevo giro, se podría utilizar un cambio en las propiedades de los materiales inducido por la luz en dispositivos de memoria, permitiendo un almacenamiento más eficiente de la información y un acceso y computación más rápidos.

Este es, de hecho, uno de los desafíos actuales de nuestra sociedad: poder desarrollar dispositivos electrónicos de alto rendimiento, disponibles en el mercado, que sean, al mismo tiempo, eficientes desde el punto de vista energético. Dispositivos electrónicos más pequeños con menor consumo de energía y de alto rendimiento y versatilidad.

Ahora, investigadores del Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona (ICMAB, CSIC) han estudiado materiales ferroeléctricos fotosensibles integrados en dispositivos basados en nanotecnología y efectos cuánticos. Se han diseñado memorias capaces de almacenar información no volátil en distintos estados de resistencia (ON/OFF). Se ha descubierto que, cuando se diseñan adecuadamente, la resistencia eléctrica de estos materiales puede ser modulada usando luz pulsada. Esto significa que pueden pasar de un estado de baja resistencia a uno de alta resistencia sólo por la aplicación de pulsos de luz.

“Los materiales que muestran cambios de resistencia bajo la iluminación son abundantes, aunque el efecto es típicamente volátil y el material recupera su estado inicial después de algún tiempo de permanencia” dice el investigador del ICMAB Ignasi Fina, co-autor del estudio. “Para los dispositivos que se van a utilizar en la informática y el almacenamiento de datos en un futuro, el control óptico no volátil de la resistencia eléctrica es de interés ” y añade “no volátil quiere decir que la información permanece en el dispositivo, incluso cuando la fuente de alimentación está apagada”.

Actualmente se necesitan dos dispositivos diferentes para utilizar las señales ópticas para el almacenamiento no volátil de datos: un sensor optoelectrónico y un dispositivo de memoria. El estudio del ICMAB demuestra que estas dos propiedades se pueden combinar en un único material capaz de modular su resistencia mediante luz pulsada: un material foto-ferroeléctrico.

Los materiales ferroeléctricos tienen polarización eléctrica espontánea no volátil conmutable. En las películas ultrafinas ferroeléctricas de dicho material, intercaladas entre los metales apropiados, aparece un efecto de fenómeno mecánico cuántico llamado corriente de túnel. Este efecto permite que una corriente de carga fluya a través de la capa ferroeléctrica, que es aislante eléctrico, en una cantidad que depende de la dirección de su polarización.

En los dispositivos explorados, primero se utiliza un campo eléctrico para escribir los estados ON/OFF, y se combina con el estímulo óptico para promover el cambio de estados ON/OFF, y modular reversiblemente la resistencia (de alta a baja).

Estos dispositivos son eficientes energéticamente por dos razones principales: en primer lugar, el consumo de energía se reduce en el momento de escribir el estado de memoria, ya que no necesita un flujo de corriente de carga. En segundo lugar, como la información se almacena de forma no volátil, el estado se conserva y no hay necesidad de refrescar la información (re-escribirla) como se hace continuamente en las memorias RAM actuales de todos los ordenadores, por ejemplo.

Este fenómeno de interruptor óptico observado no se limita a los materiales estudiados y, por lo tanto, abre un camino hacia nuevas investigaciones sobre este fenómeno.

Respeto a futuras aplicaciones, Ignasi Fina explica “Los dispositivos estudiados combinan funciones de sensor de luz y de memoria. Además, como se demuestra en el estudio, el dispositivo se comporta como un memristor. Un memristor es un dispositivo que puede mostrar múltiples estados de resistencia según el estímulo que ha recibido, y es uno de los dispositivos básicos para el desarrollo de sistemas de computación neuromórfica. Por lo tanto, el dispositivo desarrollado abre un camino a explorar en relación a su integración sistemas de visión neuromórfica, donde el sistema aprende a reconocer imágenes.”

El estudio se ha publicado en Nature Communications. Uno de los autores, Ignasi Fina, ha sido premiado con una beca Leonardo de la Fundación BBVA para seguir explorando este tema.

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