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Materiales foto-ferroeléctricos: usar la luz para almacenar información

Investigadores del ICMAB han descubierto que, mediante la aplicación de pulsos de luz, los materiales ferroeléctricos fotosensibles pueden pasar de un estado de baja resistencia a uno de alta resistencia. Con estos materiales han diseñado memorias capaces de almacenar información permanente en distintos estados de resistencia.

Un fotón invierte el estado binario 0/1 de un dispositivo de memoriaLos dispositivos estudiados combinan funciones de sensor de luz y de memoria, y se comportan como un memristor, que es un dispositivo que puede mostrar múltiples estados de resistencia según el estímulo que ha recibido. Es uno de los dispositivos básicos para el desarrollo de sistemas de computación neuromórfica, una tecnología en desarrollo que imita el funcionamiento de los sistemas neuronales biológicos. Por lo tanto, el dispositivo desarrollado permite explorar su integración en sistemas de visión neuromórfica, donde el sistema aprende a reconocer imágenes.

Mientras que las memorias eléctricas comerciales se basan en la escritura de la información mediante pulsos de corriente eléctrica, el dispositivo desarrollado con material foto-ferroeléctrico permitiría almacenar por medios ópticos información de forma permanente y sin necesidad de utilizar pulsos eléctricos.

Aplicaciones

Estos nuevos dispositivos se podrían aplicar en un futuro para hacer “sensores con memoria” para usarse, por ejemplo, en cámaras de fotos, o en almacenamiento de datos.

Actualmente, ya existen aplicaciones de dispositivos de visión neuromórfica en sistemas de conducción automática y robots. Pero estos dispositivos están compuestos por una compleja circuitería con sensores, procesadores y memorias, siendo deseable simplificar su sistema. Y esto es precisamente lo que traería consigo el dispositivo desarrollado: la obtención de un elemento único que integra todos estos otros dispositivos y consigue emular las propiedades funcionales del ojo humano.

Ignasi Fina, investigador del ICMAB y coautor del presente estudioIgnasi Fina, investigador del ICMAB y coautor del estudio, explica que "los materiales que muestran cambios de resistencia bajo la iluminación son abundantes, aunque el efecto es típicamente volátil y el material recupera su estado inicial después de algún tiempo de permanencia. Para los dispositivos que se van a utilizar en la informática y el almacenamiento de datos en un futuro, el control óptico no volátil de la resistencia eléctrica es de interés. No volátil quiere decir que la información permanece en el dispositivo, incluso cuando la fuente de alimentación está apagada".

En los dispositivos foto-ferroeléctricos estudiados, para escribir y cambiar los estados ON/OFF, es decir, para conseguir resistencias altas o bajas al paso de corriente, se utiliza un campo eléctrico combinado con un estímulo óptico.

Estos dispositivos son eficientes energéticamente por dos razones principales: en primer lugar, el consumo de energía se reduce en el momento de escribir el estado de memoria, ya que no necesita un flujo de corriente de carga. En segundo lugar, como la información se almacena de forma no volátil, el estado se conserva y no hay necesidad de refrescar la información (reescribirla) como se hace continuamente en las memorias DRAM actuales de todos los ordenadores, por ejemplo.

Este fenómeno de interruptor óptico observado no se limita a los materiales estudiados y, por tanto, abre un camino hacia nuevas investigaciones sobre este fenómeno.

El estudio se ha publicado en la revista Nature Communications. Uno de los autores, Ignasi Fina, ha sido premiado con una beca Leonardo de la Fundación BBVA para seguir explorando este tema.

Referencia

Non-volatile optical switch of resistance in photoferroelectric tunnel junctions Xiao Long, Huan Tan, Florencio Sánchez, Ignasi Fina, Josep Fontcuberta Nature Communications, 2021 DOI: 10.1038/s41467-020-20660-9