Así son los cristales artificiales españoles que revolucionan la informática: ordenadores con más datos y menos energía

En una civilización como la nuestra, en la que prácticamente todos los procesos relevantes se han digitalizado y donde los centros de datos se tratan casi como una industria, conseguir almacenar más con el mínimo gasto energético es una necesidad. La informática del futuro, tanto a nivel del ordenador portátil del usuario en particular desde casa como de los grandes servidores que alimentan la red o a la inteligencia artificial, tienen que funcionar con menos energía pero procesando mucha más cantidad de información.

Ahora un grupo de investigadores de la Universidad Complutense de Madrid (UCM), el Instituto de Ciencia y Tecnología de Luxemburgo (LIST, por sus siglas en inglés) y el Instituto de Ciencia de los Materiales de Madrid, perteneciente al Consejo Superior de Investigaciones (ICMM-CSIC) ha dado con una posible solución. Un cristal artificial, un material de nueva creación, obtenido a partir titanato de bario, relativamente común y barato.

Su gran descubrimiento permite almacenar más bits en menos espacio físico y utilizando menos energía, Aunque aún está en fase desarrollo, y el artículo al respecto ha sido publicado en la prestigiosa revista Nature, es el primer paso para conseguir un material informático más eficiente y barato.

“En la naturaleza los cristales se crean de forma espontánea, en este caso lo que hemos conseguido es crear uno con características que no aparecen por sí mismas, que no existen, aprovechando las propiedades del material”, explica Mar García, investigadora del ICMM-CSIC.

Y continúa: “Lo que hemos hecho es crear cristales de titanato de bario sobre una solución, en láminas ultradelgadas, tanto que se miden en nanómetros. Y luego hemos conseguido despegarlas y unirlas entre ellas, pero no en un ángulo que adopten naturalmente, sino en el que nosotros necesitamos”.

‘Remolinos’ electrónicos para bits

En este caso, al fabricar este cristal de titanio y bario o perovskita, han buscado aprovechar las propiedades ferroeléctricas del material original. Al rotar las dos láminas ultradelgadas, “la polarización eléctrica del titanato de bario ya no va en una dirección u otra de manera simple, sino que se organiza como un remolino, que llamamos vórtice en términos técnicos, y que depende del ángulo de rotación de los cristales”, explica García.

Al manipularlo a nivel nano, es en ese espacio tan pequeño donde se pueden almacenar bits. “Ese espacio no existe en un cristal normal, y es ese estado nuevo el que nos resulta útil”, concluye la investigadora, que añade que “el material resultante es muy robusto”.

La explicación científica sería que han ensamblado “capas monocristalinas de óxidos cerámicos de tan sólo unos pocos átomos de espesor rotadas en un ángulo arbitrario y que se enlazan para formar un nuevo cristal artificial que no existe en la naturaleza”. En román paladino, girar el cristal a nivel microscópico hasta que se ha parado en la posición que favorecía las propiedades que necesitaban.

‘Rotando’ los átomos

Las ventajas, a partir de ahí, es que se pasa a poder guardar datos informáticos en mucho menos espacio, utilizando menos materias primas y mucha menos energía para obtener una mayor eficiencia. “La prueba de concepto la hemos hecho en esta perovskita ferroeléctrica, pero podríamos hacerlo con una perovskita magnética y entonces se manipularían esos vórtices, en ese caso de polarización magnética, de una manera diferente, pero el principio es el mismo y la utilidad deberían ser los mismos”.

Esta técnica, la rotación controlada entre capas cristalinas de espesor atómico, es conocida como twistrónica (del inglés twistronics). El enlace entre estas capas da lugar a un patrón estructural y de interacciones característico (patrón de moiré) que es el origen de las propiedades emergentes encontradas.

El grupo de investigación que reúne a la UCM, el LIST y el ICMM-CSIC es el Laboratorio de Heteroestructuras con Aplicación en Espintrónica. Además de García, son responsables del trabajo Jacobo Santamaría, por parte de la UCM, y Jorge Íñiguez-González, por el LIST.

Entre otras cosas,el nuevo cristal artificial a partir del titanato de bario abre la puerta a alcanzar densidades de almacenamiento de información que superarían los 100 terabytes por pulgada cuadrada, cuando el actual límite está estancado en 1 terabyte por pulgada. “Esto permitiría afrontar el reto tecnológico y de sostenibilidad energética de un almacenamiento global de información que podría superar los yottabytes [la máxima unidad de medida en informática, más de 125 billones de gigabytes, para entendernos] en la presente década”, defiende Santamaría.

Materias primas baratas

Además, el titanato de bario solo necesita tres elementos: bario, titanio y oxígeno, que ni son raros ni su producción se encuentra confinada a unos pocos países. Aunque es cierto que China, Australia, India o Estados Unidos le llevan ventaja a Europa en ese sentido, existen minas de titanio en Noruega… o en Ciudad Real. Y son bastante comunes en diversos países de África.

No sería una material a futuro que hiciese dependiente de su producción a España, o a la Unión Europea, de unos pocos proveedores. Para la barita o sulfato de bario, tres cuartos de lo mismo, pues nuestro país ya la produce en provincias como Córdoba.

Eso sí, Mar García también rebaja un poco las expectativas: “Hemos descubierto la ciencia, ahora habría falta desarrollar la tecnología, y eso suele llevar unos periodos de tiempo que no son menores a 10 años. Y después quedaría la incorporación de esa tecnología en términos industriales”.

Es decir, que estamos hablando “de algo que se mide en el largo término, no vamos a tener mañana grandes servidores utilizando este tipo de material”, zanja. Ahora, insiste, “lo que estamos haciendo es descubrir la ciencia que hay detrás de ello y aprender el cómo, cuándo y de qué manera podemos manipular los nuevos objetos que hemos sintetizado”.

El principal reto a futuro para estos investigadores españoles consiste en comprobar si utilizando otros materiales de propiedades magnéticas, como en el ejemplo que antes mencionaba la científica, pueden obtener cristales con otra clase de características cuyas aplicaciones aún están por descubrir.