Desarrollan una memoria que consume mil millones de veces menos energía que las actuales

En 2024, la cantidad de correos electrónicos que se enviará será de aproximadamente 361 mil millones cada día. La creación diaria de datos ha alcanzado los 328,77 millones de terabytes de datos. De hecho, el 90 % de los datos globales se crearon solo en los últimos dos años. Y para ello se necesitarán grandes centros que almacenen la información. El problema es el consumo de energía: es demasiado alto.

Ahora un equipo de científicos de la Universidad de Pensilvania habría superado una importante barrera para facilitar la adopción de tecnologías de almacenamiento de datos de próxima generación. Gracias al uso de un material único llamado seleniuro de indio (In2Se3), los responsables del avance aseguran en un artículo publicado en Nature, haber descubierto una técnica para reducir los requisitos de energía de la memoria de cambio de fase (PCM), una tecnología capaz de almacenar datos sin una fuente de alimentación constante, hasta mil millones de veces.

El avance es un paso hacia la superación de uno de los mayores desafíos en el almacenamiento de datos PCM, allanando potencialmente el camino para dispositivos de memoria y electrónica de bajo consumo, según el estudio. La PCM es un candidato principal para la memoria universal: memoria de computación que puede reemplazar tanto a la memoria de corto plazo como la memoria de acceso aleatorio (RAM) y dispositivos de almacenamiento como unidades de estado sólido (SSD) o discos duros.

La RAM es rápida, pero necesita un espacio físico significativo y una fuente de alimentación constante para funcionar, mientras que las SSD o los discos duros son mucho más densos y pueden almacenar datos mientras los ordenadores están apagados. La memoria universal combina lo mejor de ambas. Funciona alternando los materiales entre dos estados: cristalino, donde los átomos están ordenados de forma ordenada, y amorfo, donde los átomos están dispuestos de forma aleatoria. Estos estados se correlacionan con los 1 y 0 binarios, codificando los datos a través de interruptores en los estados.

Sin embargo, la "técnica de fusión-extinción" utilizada para alternar estos estados, que implica calentar y enfriar rápidamente los materiales PCM, requiere una energía significativa, lo que hace que la tecnología sea cara y difícil de escalar.

En su estudio, el equipo liderado por Ritesh Agarwal, profesor de ingeniería de materiales, señalan una forma de evitar por completo el proceso de fusión-extinción, induciendo en su lugar la amorfización a través de una carga eléctrica. La amorfización es, básicamente, crear un desorden atómico en el material para mejorar el rendimiento del mismo. Esto reduce drásticamente los requisitos de energía del PCM y potencialmente abre la puerta a aplicaciones comerciales más amplias.

“Una de las razones por las que los dispositivos de memoria de cambio de fase no han alcanzado un uso generalizado se debe a la energía requerida – explica Agarwal en un comunicado -. El potencial de estos hallazgos para diseñar dispositivos de memoria de bajo consumo es tremendo”.

El descubrimiento se basa en las propiedades únicas del seleniuro de indio, un material semiconductor con características tanto "ferroeléctricas" como "piezoeléctricas". Los materiales ferroeléctricos pueden polarizarse espontáneamente, lo que significa que pueden generar un campo eléctrico interno sin necesidad de una carga externa. Los materiales piezoeléctricos, por el contrario, se deforman físicamente cuando se exponen a una carga eléctrica.

Al probar el material, los autores observaron que algunas secciones del mismo se amorfizaban cuando se exponían a una corriente continua. Es más, esto sucedió completamente por casualidad.

“De hecho, pensé que podría haber dañado los cables – añade el coautor del estudio Gaurav Modi -. Normalmente, se necesitarían pulsos eléctricos para inducir cualquier tipo de amorfización, y aquí una corriente continua había alterado la estructura cristalina, lo que no debería haber sucedido".

Un análisis posterior reveló una reacción en cadena desencadenada por las propiedades del semiconductor. Esto comienza con pequeñas deformaciones en el material causadas por la corriente que desencadena un "tirón acústico", una onda de sonido similar a la actividad sísmica durante un terremoto. Esta luego viaja a través del material, extendiendo la amorfización a través de regiones de escala micrométrica en un mecanismo que los investigadores compararon con una avalancha que cobra impulso.

Los investigadores explicaron que varias propiedades del seleniuro de indio, incluida su estructura bidimensional, ferroelectricidad y piezoelectricidad, trabajan juntas para permitir una vía de energía ultrabaja para la amorfización desencadenada por choques. Esto podría sentar las bases para futuras investigaciones en torno a “nuevos materiales y dispositivos para aplicaciones fotónicas y electrónicas de bajo consumo – concluye Agarwal -. Esto abre un nuevo campo sobre las transformaciones estructurales que pueden ocurrir en un material cuando se combinan todas estas propiedades”.