Irene Rodríguez. 14 enero
El físico costarricense Gian Guzmán trabaja analizando materiales llamados
El físico costarricense Gian Guzmán trabaja analizando materiales llamados "óxidos de metales de transición", que eventualmente podrían dar origen a nuevas generaciones de computadoras y dispositivos tecnológicos. Fotografía: Anel Kenjekeeva /Oficina de Divulgación UCR

Los dispositivos tecnológicos que utilizamos en nuestra vida diaria: las computadoras, los teléfonos inteligentes, las tabletas y otros dispositivos tienen como base un compuesto llamado silicio.

Este es el material estrella en los artefactos tecnológicos desde hace décadas, las nuevas versiones y avances que vemos son optimizaciones de los usos y aplicaciones de este material que se realizan constantemente.

Sin embargo, de acuerdo con el costarricense y doctor en física, Gian Giacomo Guzmán Verri, llegará el momento en el que se alcance el límite del silicio y ya no podamos desarrollar optimizaciones para nuevas tecnologías.

¿Dónde se encontrarán los nuevos materiales para las próximas tecnologías? Esa es una pregunta que todavía no tiene respuestas, pero en la que ya trabajan varios científicos alrededor del mundo. Guzmán es uno de ellos.

“En este momento hay protototipos a niveles muy incipientes de otros materiales, pero nada ni siquiera cercano a una prueba de concepto o algo que pueda utilizarse”, destacó el especialista.

Y añadió: “hay que volver la mirada a otro tipo de materiales para obtener los dispositivos de nuevas generaciones. Esto es necesario si queremos avanzar aún más en conseguir dispositivos más rápidos, de menor consumo energético y con nuevas funcionalidades”.

Para poder llegar a esos prototipos que puedan ponerse a prueba, se tienen que investigar los posibles materiales, conocerlos bien, a fondo; ver cómo actúan ante diferentes características. Ya una vez que se conocen los materiales, los especialistas en tecnología los pondrán a prueba, pero antes, deben entenderse, explicó.

Precisamente Guzmán trabaja en cómo entender un grupo de materiales llamados “óxidos de metales de transición” (TMOs, por sus siglas en inglés). Los TMOs son cumpuestos creados en laboratorio que tienen oxígeno y un elemento metal (como el hierro, el cobre o el níquel). Las conclusiones de lo que ha investigado hasta el momento fueron publicadas en diciembre pasado en la renombrada revista científica Nature.

“Aún no sabe cómo está la física de esos metales y cómo utilizarlos. Todavía estamos lejos de tener el tipo de conocimientos necesarios para usarlos, pero por eso mismo los estamos estudiando”, expresó Guzmán, quien es investigador del Centro de Investigación en Ciencia e Ingeniería de Materiales (Cicima) de la Universidad de Costa Rica (UCR).

Materiales ‘caprichosos’ a las temperaturas

Dentro de las características de los materiales que indaga Guzmán hay una en particular que capta la atención de la ciencia: este material es conductor de electricidad pero, al llegar a cierta temperatura, más bien se comporta como aislante y deja de conducir electricidad. A esto se le llama transición metal-aislante.

“La comparación es un poco grosera, pero funciona: veamos el agua. Si está por encima de los 0 ° C está en estado líquido y fluye sin problemas, pero por debajo de esa temperatura se congela, se convierte en hielo y ya no fluye. Eso pasa con los TMOs, en su fase metal, por encima de cierta temperatura, son como agua y conducen electricidad; en su fase aislante, por debajo de dicha temperatura, son como hielo y no conducen electricidad”, explicó Guzmán, quien también es profesor de la Escuela de Física de la UCR.

No puede afirmarse que exista una temperatura de transición para todos los TMOs y se diga: “a partir de aquí se pasa de una fase a otra”, cada uno tiene su propia temperatura y esto es parte de lo fascinante para la ciencia, detalló Guzmán.

¿Por qué se da este cambio? Según lo estudiado por los científicos hasta el momento, esto es consecuencia directa de que los electrones (cargas negativas de los átomos). En estos materiales los electrones están fuertemente correlacionados, es decir, el movimiento de uno de ellos depende crucialmente del movimiento de todos los otros.

Las temperaturas de transición pueden variar hasta en 600 grados Celcius. Pueden variar desde el cero absoluto (-273 ° C, temperatura donde ya no hay movimiento molecular) hasta varios grados por encima de la temperatura ambiente. Cuanto más alta sea esta temperatura, más atractiva para aplicaciones en tecnología.

¿De qué dependen estas variantes? Eso es justamente lo que Guzmán y sus compañeros de equipo se propusieron investigar.

La investigación paso a paso

Este trabajo es una colaboración de varios centros de estudio: el Cicima, la Escuela de Física de la UCR, el Laboratorio Nacional de Argonne en Illinois, la Universidad de Chicago y la Universidad Yale, estos tres últimos en Estados Unidos.

Guzmán comenzó a estudiar el tema cuando realizó su posdoctorado en el Laboratorio Nacional de Argonne, en el 2014. Constituía un reto personal conocer este tipo de materiales y saber el por qué de su comportamiento.

“Tenemos que conocer bien estos materiales para saber si eventualmente alguno de ellos tendrá uso o no. Es un camino que debemos recorrer, si después vemos que no sirve, entendemos por qué y eso nos sirve para trabajos futuros, ya sabríamos que hay cosas que se probaron que no funcionan, algo que no sabríamos si no lo hubiéramos probado”, comentó el especialista.

¿En qué consistieron las pesquisas? El primer paso fue decidirse por una técnica diferente para el estudio.

Los iones son parte clave en esto. Un ion es un átomo que gana o pierde electrones. Si los gana, tendrá una carga negativa, si los pierde, tendrá una carga positiva.

“Antes, los científicos típicamente pasaban de una fase a otra añadiendo electrones. Durante décadas se sugirió que ajustar el tamaño de un ion llamado ‘ion vegetal’ (que no participa en la conducción eléctrica, pero que sí es determinante en la estructura) y que tiene un impacto clave en la temperatura de transición, pero hasta el momento no se entendía por qué”, explicó en un comunicado de prensa Peter Littlewood, investigador de la Universidad de Chicago.

En otras palabras, el tamaño de este ion vegetal puede alterar la temperatura de transición, pero los científicos no sabían la causa.

Con esto en mente, el equipo en el que está Guzmán estudió los TMOs llamados perovskitas y “jugaron” con diferentes tamaños del ion vegetal.

“El efecto de cambiar el tamaño del ion electrónicamente inactivo (o vegetal) es el de ajustar la magnitud de esta fuerza”, expresó Guzmán.

“Conforme un electrón se desplaza a lo largo un TMO, este genera deformaciones en el arreglo atómico a su alrededor. El paso clave en nuestras investigaciones fue haber notado que esas deformaciones interactúan entre sí mediante fuerzas elásticas (como las de un resorte que se estira y encoge) y esto a su vez afecta el paso de los electrones, y por eso se comportan de forma diferente”, añadió.

Esta ilustración muestra cómo estos materiales de transición estudiados por Guzmán tienen características diferentes según la temperatura a la que son sometidos y por qué, con solo un cambio en un átomo se pueden dar cambios muy grandes en el material. Ilustración adaptada de G. G. Guzmán-Verri, R. T. Brierley, P. B. Littlewood, Cooperative elastic fluctuations provide tuning of the metal-insulator transition, Nature 576, 429 (2019). https://doi.org/10.1038/s41586-019-1824-9
Esta ilustración muestra cómo estos materiales de transición estudiados por Guzmán tienen características diferentes según la temperatura a la que son sometidos y por qué, con solo un cambio en un átomo se pueden dar cambios muy grandes en el material. Ilustración adaptada de G. G. Guzmán-Verri, R. T. Brierley, P. B. Littlewood, Cooperative elastic fluctuations provide tuning of the metal-insulator transition, Nature 576, 429 (2019). https://doi.org/10.1038/s41586-019-1824-9 "

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¿Qué sigue?

¿Para qué sirve toda esta información? Para Guzmán, esto es demostrar como un cambio muy pequeño en un ion puede dar con cambios muy grandes en el comportamiento del material. Entender algo así puede ser vital para eventuales aplicaciones tecnológicas.

De acuerdo con un comunicado enviado por la Universidad de Chicago, en la investigación de la próxima generación de dispositivos microelectrónicos el poder “activar” y controlar este paso de conductor a aislante (y viceversa) sería un gran salto para tener computadoras ultra rápidas que simulen procesos cerebrales.

Asimismo, también podría utilizarse para mejorar baterías de litio que tengan una mejor carga y funcionabilidad.

“Nuestro estudio teórico no se aplica a un solo material, si no a toda una clases de materiales, lo que tiene muchas aplicaciones, incluso que pueden utilizarse en investigaciones que ya se desarrollan en el Laboratorio de Argonne", subrayó Littlewood.

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