Los investigadores han creado una pista de carreras tridimensional exótica para electrones en rodajas ultrafinas de un nanomaterial que fabricaron en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía Berkeley Lab
El equipo internacional de científicos de Berkeley Lab, UC Berkeley y Alemania observó, por primera vez, un comportamiento único en el que los electrones giran alrededor de una superficie, luego a través de la mayor parte del material a su superficie opuesta y viceversa.
La posibilidad de desarrollar la llamada "materia topológica" que puede transportar corriente eléctrica en su superficie sin pérdida a temperatura ambiente ha atraído un interés significativo en la comunidad de investigación. El objetivo final es abordar la conducción sin pérdida de otra clase de materiales,conocidos como superconductores, pero sin la necesidad de las temperaturas extremas de congelación que requieren los superconductores.
"Los microchips pierden tanta energía a través de la disipación de calor que es un factor limitante", dijo James Analytis, científico del personal de Berkeley Lab y profesor asistente de física en UC Berkeley que dirigió el estudio, publicado en Naturaleza . "Cuanto más pequeños se vuelven, más se calientan"
El material estudiado, un semimetal inorgánico llamado arseniuro de cadmio Cd3As2, exhibe propiedades cuánticas, que no se explican por las leyes clásicas de la física, que ofrecen un nuevo enfoque para reducir la energía residual en microchips. En 2014, los científicos descubrieronese arseniuro de cadmio comparte algunas propiedades electrónicas con el grafeno, un material de un solo átomo de espesor que también se observa para los componentes informáticos de próxima generación, pero en forma tridimensional.
"Lo emocionante de estos fenómenos es que, en teoría, no se ven afectados por la temperatura, y el hecho de que existan en tres dimensiones posiblemente facilita la fabricación de nuevos dispositivos", dijo Analytis.
Las muestras de arseniuro de cadmio mostraron una propiedad cuántica conocida como "quiralidad" que combina la propiedad fundamental de giro de un electrón con su impulso, esencialmente dándole rasgos zurdos o diestros. El experimento proporcionó un primer paso hacia el objetivo de usar la quiralidadpara transportar carga y energía a través de un material sin pérdida.
En el experimento, los investigadores fabricaron y estudiaron cómo viaja la corriente eléctrica en rodajas de un cristal de arsénico de cadmio de solo 150 nanómetros de espesor, o aproximadamente 600 veces más pequeño que el ancho de un cabello humano, cuando se somete a un campo magnético alto.
Las muestras de cristal se elaboraron en la Fundición Molecular de Berkeley Lab, que se centra en la construcción y el estudio de materiales a nanoescala, y su estructura tridimensional se detalló mediante rayos X en la Fuente de Luz Avanzada de Berkeley Lab.
Quedan muchos misterios sobre las propiedades exóticas del material estudiado, y como siguiente paso los investigadores buscan otras técnicas de fabricación para construir un material similar con propiedades magnéticas incorporadas, por lo que no se requiere un campo magnético externo.
"Este no es el material adecuado para una aplicación, pero nos dice que estamos en el camino correcto", dijo Analytis.
Si los investigadores tienen éxito en sus modificaciones, dicho material podría utilizarse para construir interconexiones entre múltiples chips de computadora, por ejemplo, para computadoras de próxima generación que dependen del giro de un electrón para procesar datos conocido como "spintronics",y para construir dispositivos termoeléctricos que convierten el calor residual en corriente eléctrica.
Al principio no estaba claro si el equipo de investigación podría incluso fabricar una muestra lo suficientemente pura a la pequeña escala requerida para llevar a cabo el experimento, dijo Analytis.
"Queríamos medir los estados de la superficie de los electrones en el material. Pero este material tridimensional también conduce electricidad a granel, es la región central, así como en la superficie", dijo. Como resultado,cuando mide la corriente eléctrica, la señal se ve inundada por lo que está sucediendo en masa, por lo que nunca ve la contribución de la superficie ".
Entonces redujeron la muestra de millonésimas de metro a la nanoescala para darles más área de superficie y asegurarse de que la señal de superficie sería la dominante en un experimento.
"Decidimos hacer esto conformando muestras en estructuras más pequeñas usando un haz enfocado de partículas cargadas", dijo. "Pero se sabe que este haz de iones es una forma aproximada de tratar el material, por lo general es intrínsecamente dañino parasuperficies, y pensamos que nunca iba a funcionar "
Pero Philip JW Moll, ahora en el Instituto Max Planck de Física Química de Sólidos en Alemania, encontró una manera de minimizar este daño y proporcionar superficies finamente pulidas en las pequeñas rebanadas usando herramientas en la Fundición Molecular ".Al mismo tiempo, no dañarlo son los opuestos naturales. Nuestro equipo tuvo que llevar la fabricación del haz de iones a sus límites de baja energía y foco de haz ajustado para que esto sea posible ".
Cuando los investigadores aplicaron una corriente eléctrica a las muestras, descubrieron que los electrones corren en círculos de forma similar a cómo orbitan alrededor del núcleo de un átomo, pero su camino pasa a través de la superficie y la mayor parte del material.
El campo magnético aplicado empuja los electrones alrededor de la superficie. Cuando alcanzan la misma energía y el mismo impulso que los electrones a granel, son atraídos por la quiralidad del bulto y empujados a la otra superficie, repitiendo este camino extrañamente retorcido hasta queestán dispersos por defectos materiales.
El experimento representa una combinación exitosa de enfoques teóricos con los materiales y técnicas adecuados, dijo Analytis.
"Esto fue teorizado por Andrew Potter en nuestro equipo y sus compañeros de trabajo, y nuestro experimento marca la primera vez que se observó", dijo Analytis. "Es muy inusual, no hay fenómenos análogos en ningún otro sistema. Las dos superficies del material 'hablan' entre sí a grandes distancias debido a su naturaleza quiral ".
"Habíamos predicho este comportamiento como una forma de medir las propiedades inusuales esperadas en estos materiales, y fue muy emocionante ver cómo estas ideas cobran vida en sistemas experimentales reales", dijo Potter, profesor asistente de física en la Universidad deTexas en Austin: "Philip y sus colaboradores hicieron grandes innovaciones para producir muestras extremadamente delgadas y de alta calidad, lo que realmente hizo posible estas observaciones por primera vez".
Los investigadores también aprendieron que el desorden en el patrón de la superficie cristalina del material no parece afectar el comportamiento de los electrones allí, aunque el desorden en el material central sí tiene un impacto sobre si los electrones se mueven a través del material desde una superficie hacia elotro.
El movimiento de los electrones exhibe una doble mano, con algunos electrones viajando alrededor del material en una dirección y otros girando en una dirección opuesta.
Los investigadores ahora están construyendo sobre este trabajo en el diseño de nuevos materiales para estudios en curso, dijo Analytis. "Estamos utilizando técnicas normalmente restringidas a la industria de semiconductores para fabricar dispositivos prototipos a partir de materiales cuánticos".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Original escrito por Glenn Roberts Jr .. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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