Los investigadores construyen un electreto de una sola molécula con memoria funcional

Un grupo de investigadores ha verificado la existencia de un electreto de una sola molécula, un dispositivo que podría servir como unidad de memoria no volátil y conducir al desarrollo de dispositivos de almacenamiento informático más pequeños.

Investigadores de la Universidad de Nanjing, la Universidad de Renmin, la Universidad de Xiamen, la Universidad del Sudeste, el Instituto Politécnico Rensselaer y la Universidad de Yale, incluido el profesor de ingeniería eléctrica y física aplicada de Yale, Mark Reed, crearon la estructura de una sola molécula. Consiste en un átomo de gadolinio dentro de una jaula de carbono – la interacción entre el átomo y su jaula permite a la estructura mantener una carga eléctrica incluso después de que un campo eléctrico ha sido eliminado. Este dispositivo crea la posibilidad de componentes de memoria de computadora de una sola molécula. El artículo fue publicado en Nature Nanotechnology el 12 de octubre.

«Inicialmente buscábamos dipolos magnéticos», dijo Fengqi Song, profesor de física de la Universidad de Nanjing y autor principal del artículo. «Pero en realidad encontramos algunos dipolos eléctricos. Es sólo que, ya sabes. Es un resultado inesperado».

Un electreto es un material polarizable semi-permanente, lo que significa que puede ser cambiado entre dos estados estables aplicando un campo eléctrico. Un electreto puede ser pensado como análogo a un imán – un imán crea un campo magnético persistente, y un electreto crea un campo eléctrico persistente.

Song explicó que la mayoría de los electretos pueden mantener su polarización debido a las interacciones entre las diferentes moléculas de sus materiales. Por lo tanto, un electreto con una sola molécula tendría que mantener su carga de una manera novedosa.

«Podrías decir, ‘por supuesto que puedes establecer el estado de polarización de algo'», dijo Fengnian Xia, un profesor de ingeniería eléctrica de Yale, cuando se le preguntó sobre el trabajo de su colega. «Quiero decir, eso no es sorprendente. Pero por otro lado, tienes que hacerlo a un nivel de una sola molécula. Eso suena como algo de ‘Misión Imposible'».

Para ello, el laboratorio introdujo un solo átomo de gadolinio en una jaula de carbono llamada fullereno. Reed explicó que cuando se aplica un voltaje a esta estructura, el átomo interactúa con un lado de la jaula para crear un cierto campo eléctrico. Luego, cuando se aplica el voltaje en la otra dirección, el átomo salta al otro lado y crea un campo eléctrico diferente. Por lo tanto, este dispositivo puede mantener una carga eléctrica semi-permanente sin necesidad de interacciones entre las moléculas.

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El trabajo previo de Reed se centró en la creación de otros dispositivos eléctricos de una sola molécula, como un transistor de una sola molécula. Estudió cómo aislar una molécula específica para estos dispositivos usando una técnica llamada ruptura de uniones electromagnéticas.

Fue por esta investigación que colaboró con profesores de la Universidad de Nanjing, incluyendo a Song, que estudiaban las características de las estructuras moleculares.

«Dijimos, ‘OK. Sé cómo hacer transistores de una sola molécula. Tú sabes cómo hacer que las partículas pequeñas funcionen. ¿Qué podemos hacer que sea interesante?» Reed dijo.

Con la orientación de Reed, los investigadores de la Universidad de Nanjing construyeron el dispositivo. Luego le aplicaron un campo eléctrico externo y estudiaron sus propiedades. Su análisis inicial sugirió que el dispositivo tenía dos estados eléctricos estables. Pero observar esto experimentalmente no era lo suficientemente riguroso, así que los investigadores trajeron a expertos de otras universidades para validar su teoría con cálculos. Los modelos coincidieron con sus resultados experimentales, y el equipo pudo verificar la existencia del electreto de una sola molécula.

Dado que los electretos de una sola molécula almacenan de forma semipermanente un estado de encendido o apagado, podrían actuar teóricamente como una forma de memoria informática no volátil, que se conserva cuando el dispositivo está totalmente apagado. Esto podría reemplazar a los actuales dispositivos de almacenamiento con contrapartes mucho más pequeñas.

Pero los autores del documento enfatizaron que los ingenieros están lejos de usar electromecanismos de una sola molécula en la computación real. La fabricación del electreto de una sola molécula fue un trabajo intensivo y poco fiable, y el dispositivo funciona sólo en ciertas condiciones. La contribución de este trabajo fue demostrar que tal molécula puede incluso existir.

«Esta es la parte de mi portafolio de investigación que es ciencia básica, pero ciencia básica con una aplicación a largo plazo», dijo Reed. «La comprensión de los mecanismos básicos cuando se llega a esa escala es potencialmente importante para las cosas que podrían suceder en 2030, dentro de unos años».

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