La calor és el principal mecanisme de pèrdua d’energia de la majoria de processos industrials i també dels dispositius electrònics. Per gestionar i reaprofitar la calor de manera més eficient, una recerca liderada per la Universitat de Barcelona ha desenvolupat un prototip de memòria tèrmica que és capaç de controlar el flux de calor mitjançant petits voltatges elèctrics. Aquesta innovació, publicada a la revista Advanced Materials, té implicacions potencials en la gestió intel·ligent de la calor, la conversió d’energia i l’aprofitament de l’energia tèrmica.

La recerca la dirigeix el professor Eric Langenberg, del Departament de Física de la Matèria Condensada de la Facultat de Física i l’Institut de Nanociència i Nanotecnologia (IN2UB) de la UB, i té com a primer autor l’expert Dídac Barneo (UB-IN2UB).

També hi participen experts del Centre Singular de Recerca en Química Biològica i Materials Moleculars (CiQUS), ubicat a la Universitat de Santiago de Compostel·la; l’Institut de Ciència de Materials de Madrid (ICMM-CSIC); l’Institut de Ciència de Materials de Barcelona (ICMAB-CSIC), i la Universitat de Saragossa (UNIZAR).

Controlar la calor en dispositius electrònics

«Aquesta recerca podria obrir la porta al desenvolupament d’una nova tecnologia d’emmagatzematge de la informació basada en la calor en lloc de l’electricitat», detalla el professor Langenberg.

El prototip està integrat per una estructura sòlida formada per una capa d’or pel damunt d’una capa ultrafina (de set nanòmetres de gruix) d’un òxid ferroelèctric d’hafni i zirconi (Hf_0.5Zr_0.5O₂), que es diposita sobre un substrat conductor d’ions d’oxigen (zircònia estabilitzada amb itri, YSZ).

Quan s’apliquen petits voltatges entre l’or i el substrat, la conductivitat tèrmica de l’òxid ferroelèctric es modifica de manera reversible entre dos estats: alta conductivitat tèrmica (amb voltatges positius) o baixa conductivitat tèrmica (voltatges negatius).

«El voltatge aplicat permet descriure dos estats tèrmics diferents i modular a voluntat la facilitat amb què la calor travessa el material. Com que són dos estats de conductivitat tèrmica estables fins i tot quan es retira el voltatge, el dispositiu esdevé una memòria tèrmica no volàtil», explica Langenberg.

Aquest comportament es basa en un mecanisme físic mai emprat fins ara per controlar el transport de calor amb camp elèctric: l’acoblament de la polarització ferroelèctrica amb la migració de vacants d’oxigen. Aquestes vacants són petits defectes que dispersen i entorpeixen el pas dels fonons —la unitat bàsica de vibració en les estructures dels sòlids—, igual com fan els electrons en el cas de l’electricitat. «Així, una alta concentració de vacants d’oxigen a l’òxid ferroelèctric d’hafni i zirconi impedirà el pas dels fonons (baixa conductivitat tèrmica), en contraposició a una baixa concentració de vacants (alta conductivitat tèrmica)», explica Dídac Barneo, també membre del Departament de Física de la Matèria Condensada.

Aquestes vacants d’oxigen es poden moure per l’estructura sòlida amb un camp elèctric. Els voltatges negatius atreuen aquestes vacants, mentre que els positius les repel·leixen. «Si s’aplica un voltatge negatiu des de l’or, obtindrem una baixa conductivitat tèrmica de l’òxid ferroelèctric. En canvi, quan apliquem voltatges positius, el resultat és una alta conductivitat tèrmica», apunta Barneo.

Però el voltatge aplicat no pot explicar per si sol el fenomen de memòria. «Hi ha un component crucial per a la funcionalitat de memòria i l’estabilitat dels estats tèrmics: la polarització de l’òxid ferroelèctric, que actua com una mena de vàlvula que impedeix que les vacants d’oxigen tornin a distribuir-se quan desapareix el voltatge. Aquest efecte permet conservar els dos estats tèrmics i converteix el dispositiu en una memòria tèrmica», indiquen els experts.

Dels electrons als fonons: reptes en física de l’estat sòlid

Aquest dispositiu és el primer prototip funcional que es desenvolupa dins del projecte e-PHONONBIT (Disseny de bits fonònics amb control elèctric en làmines i superestructures epitaxials basades en òxids ferroelèctrics), que dirigeix el professor Langenberg. En el marc de la recerca, l’equip de la UB ha concebut el mecanisme físic que explica el funcionament de la memòria tèrmica, a més de coordinar les diferents col·laboracions experimentals i teòriques i integrar totes les dades en la interpretació global de l’estudi.

En el futur, caldrà millorar les prestacions del nou dispositiu per poder augmentar la diferència de conductivitat tèrmica entre els dos estats, facilitar que sigui operatiu a temperatura ambient (ara ho és a 200 °C) i reduir el temps de commutació entre els dos estats tèrmics (de minuts a mil·lisegons).

«La idea és explorar diferents combinacions de materials ferroelèctrics, conductors iònics (en particular, vacants d’oxigen) i substrats per abordar aquests tres reptes», detalla Eric Langenberg.

«Més a llarg termini, volem acabar desenvolupant noves arquitectures de computació basades en els fonons. Controlar el transport de fonons amb camp elèctric és tot un repte en la física de l’estat sòlid. Ens trobem en els albors de la fonònica; només el temps dirà fins a on ens portarà aquesta nova disciplina», clou l’investigador.