Cómo controlar el calor con electricidad: un paso hacia las memorias térmicas

En cualquier ordenador, teléfono móvil o dispositivo electrónico, el calor es un invitado inevitable. Cuando los componentes trabajan, se calientan; y si ese calor no se controla bien, disminuye la eficiencia y puede reducirse la vida útil del aparato. Por eso, aprender a dirigir el calor con precisión se ha convertido en uno de los grandes retos de la tecnología actual.

Un nuevo prototipo desarrollado por un equipo liderado por la Universidad de Barcelona apunta precisamente en esa dirección. El dispositivo puede cambiar la facilidad con la que el calor atraviesa un material cuando se le aplican pequeños voltajes eléctricos. Lo más llamativo es que esos cambios permanecen incluso después de retirar el voltaje, como si el material "recordara" el estado térmico en el que quedó.

El avance, publicado en la revista Advanced Materials, abre una vía de investigación hacia las llamadas memorias térmicas: sistemas que podrían almacenar información mediante estados relacionados con el transporte del calor, en lugar de depender únicamente de señales eléctricas.

La investigación está dirigida por Eric Langenberg, profesor del Departamento de Física de la Materia Condensada de la Facultad de Física y del Instituto de Nanociencia y Nanotecnología de la Universidad de Barcelona (IN2UB). El primer autor del estudio es Dídac Barneo, también vinculado a la UB y al IN2UB. En el trabajo han colaborado además equipos de la Universidad de Santiago de Compostela, el Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid, el Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona y la Universidad de Zaragoza.

Para entender el prototipo, conviene imaginar el calor como una corriente que atraviesa un material. Algunos materiales dejan pasar esa corriente con facilidad; otros la frenan. En este caso, los investigadores han diseñado una estructura formada por una capa de oro colocada sobre una lámina ultrafina —de solo siete nanómetros— de un óxido ferroeléctrico de hafnio y circonio, situada a su vez sobre un sustrato capaz de conducir iones de oxígeno.

Al aplicar voltajes positivos o negativos, el material cambia entre dos estados. En uno, conduce mejor el calor; en el otro, lo conduce peor. La diferencia es reversible: el sistema puede pasar de un estado al otro según el voltaje aplicado. Pero, además, esos estados son estables cuando el voltaje desaparece. Esa estabilidad es lo que permite hablar de una memoria térmica no volátil.

La explicación se encuentra en la combinación de dos fenómenos microscópicos. El primero es la polarización ferroeléctrica, una propiedad que permite orientar eléctricamente ciertas cargas dentro del material. El segundo es el movimiento de vacantes de oxígeno, es decir, pequeños "huecos" donde debería haber átomos de oxígeno. Estos defectos actúan como obstáculos para los fonones, que son las vibraciones mediante las cuales el calor se propaga en muchos sólidos.

Cuando hay más vacantes de oxígeno en la zona activa, los fonones encuentran más obstáculos y el calor se transmite peor. Cuando hay menos vacantes, el camino queda más despejado y la conductividad térmica aumenta. Según los investigadores, la polarización del material funciona como una especie de válvula: ayuda a mantener esas vacantes en su lugar y evita que el sistema pierda el estado alcanzado al retirar el voltaje.

La electrónica moderna se basa en controlar electrones. Sin embargo, el calor no se transporta solo mediante cargas eléctricas: en muchos materiales también viaja a través de fonones. Por eso, dominar el movimiento de estas vibraciones abre una posibilidad nueva: construir dispositivos que gestionen información o energía usando el calor de forma más inteligente.

El dispositivo presentado es el primer prototipo funcional desarrollado dentro del proyecto e-PHONONBIT, centrado en diseñar bits fonónicos controlados eléctricamente en láminas y estructuras basadas en óxidos ferroeléctricos. En otras palabras, el objetivo es explorar si el calor —o, más exactamente, las vibraciones que lo transportan— puede llegar a desempeñar un papel parecido al que hoy tienen los bits electrónicos.

El camino hacia aplicaciones prácticas todavía está en una fase inicial. Entre los principales retos se encuentran aumentar la diferencia entre los dos estados térmicos, conseguir que el dispositivo funcione a temperatura ambiente —por ahora opera a 200 ºC— y reducir el tiempo necesario para cambiar de un estado a otro, que actualmente es de minutos y debería acercarse a los milisegundos.

Aun así, el resultado muestra que es posible controlar el transporte de calor con campos eléctricos y conservar ese estado como una memoria. Para el equipo investigador, este trabajo representa un paso temprano hacia la fonónica, una disciplina que busca manipular los fonones del mismo modo que la electrónica manipula los electrones. Si prospera, podría contribuir a dispositivos más eficientes y a nuevas formas de computación basadas en el calor.