Dar con la clave para controlar los fonones
Los fonones son los principales portadores de calor en los sólidos; la capacidad de controlarlos abre nuevas posibilidades en la forma en que se gestiona y extrae el calor en sistemas integrados. Los fonones pueden manipularse de diferentes maneras para aprovechar al máximo el calor residual que liberan infinidad de sistemas distintos a escala mundial. «Por otra parte, controlar el transporte de los fonones podría sentar las bases de una nueva tecnología para la lógica, los dispositivos de almacenamiento de datos y los mecanismos de computación que utilizan fonones en el nuevo campo de la fonónica», afirma Eric Langenberg, coordinador del proyecto PHONON-VALVE financiado con fondos europeos.
Manipulación de fonones
PHONON-VALVE se planteó probar la idea de que el transporte de fonones puede modularse mediante un campo eléctrico, con materiales ferroeléctricos tales como las barreras de fonones llamadas paredes de dominio. El equipo tenía como objetivo demostrar que es posible utilizar campos eléctricos para situar estas paredes de dominio en diferentes partes de un material y utilizarlas como válvulas, a través de las cuales se pueden controlar los fonones. «El objetivo último de la propuesta era averiguar si las paredes de dominio reducen realmente la propagación de los fonones», destaca Langenberg. «En ese caso, los materiales ferroeléctricos podrían considerarse excelentes candidatos para el uso en nuevos dispositivos fonónicos». Como primer paso, PHONON-VALVE diseñó una amplia variedad de patrones de pared de dominio ferroeléctrico, aunque de densidades distintas, en un mismo material ferroeléctrico. Los investigadores crearon películas finas de material ferroeléctrico a través de un proceso denominado ingeniería de tensión. A continuación, el equipo midió la conductividad térmica de las películas finas ferroeléctricas y pudo determinar los efectos de las paredes de dominio ferroeléctrico en la propagación de los fonones. A este respecto, se halló que las paredes de dominio tenían un efecto significativo sobre la conductividad de las películas finas, mucho mayor que el de otros materiales.
Creación de circuitos fonónicos
Los investigadores midieron la conductividad térmica de las películas finas ferroeléctricas mientras se aplicaba un campo eléctrico y descubrieron que las paredes de dominio de las películas son eléctricamente muy maleables, independientemente del tipo de pared de dominio de que se trate. Además, lograron reducir en un 61 % la conductividad térmica a temperatura ambiente, en comparación con el escenario de un solo dominio. «En otras palabras, las paredes de dominio ferroeléctrico pueden ser tan eficaces como otros tipos de interfaces a la hora de inhibir la transmisión de fonones, pero ofrecen la ventaja crucial de poder modificarse eléctricamente», explica Langenberg. De esta manera, los investigadores de PHONON-VALVE demostraron que, dadas ciertas condiciones, las paredes de dominio sometidas a escritura eléctrica pueden mantenerse estables durante varios días, resultado importante para futuras aplicaciones fonónicas no volátiles. Estos hallazgos demuestran el potencial y la idoneidad de los materiales ferroeléctricos como barreras activas para controlar el transporte térmico en dispositivos fonónicos. «El siguiente paso será solicitar financiación para seguir explorando esta novedosa línea de investigación, que aspira a controlar la propagación de fonones mediante campos eléctricos», concluye Langenberg. «En particular, estoy considerando la posibilidad de solicitar financiación al Consejo Europeo de Investigación para dirigir un grupo de investigación dedicado a la fonónica y los materiales ferroicos».
Palabras clave
PHONON-VALVE, fonones, campo eléctrico, pared de dominio, ferroeléctrico
