Los investigadores de la Universidad de Wisconsin-Madison han hecho un material que puede pasar de un metal que transmite electricidad a un material aislante no conductor sin cambiar su estructura atómica.
"Este es un descubrimiento bastante emocionante", dice Chang-Beom Eom, profesor de ciencia e ingeniería de materiales. "Hemos encontrado un nuevo método de conmutación electrónica".
El nuevo material podría sentar las bases para dispositivos electrónicos ultrarrápidos. Eom y su equipo internacional de colaboradores publicaron detalles de su avance hoy 30 de noviembre de 2018 en la revista ciencia .
Los metales como el cobre o la plata conducen la electricidad, mientras que los aislantes como el caucho o el vidrio no permiten que fluya la corriente. Sin embargo, algunos materiales pueden pasar del aislamiento al conductor.
Esta transición generalmente significa que la disposición de los átomos de un material y sus electrones conductores deben cambiar de manera coordinada, pero la transición atómica generalmente se produce mucho más lentamente que los electrones más pequeños y ligeros que conducen la electricidad.
Un material que puede cambiar a electricidad conductora como un metal sin mover sus átomos podría avanzar dramáticamente las velocidades de conmutación de dispositivos avanzados, dice Eom.
"La transición de metal a aislante es muy importante para los interruptores y para los dispositivos lógicos con un estado uno o cero", dice. "Tenemos el potencial de usar este concepto para hacer interruptores muy rápidos".
En su investigación, Eom y sus colaboradores respondieron una pregunta fundamental que ha molestado a los científicos durante años: ¿se puede desacoplar la transición electrónica y estructural, esencialmente, pueden los electrones que cambian rápidamente por sí mismos y dejar atrás los átomos?
Utilizaron un material llamado dióxido de vanadio, que es un metal cuando se calienta y un aislante cuando está a temperatura ambiente. A altas temperaturas, los átomos que forman el dióxido de vanadio se organizan en un patrón repetitivo que los científicos llaman elfase rutilo. Cuando el dióxido de vanadio se enfría para convertirse en un aislante, sus átomos adoptan un patrón diferente, llamado monoclínico.
Ninguna sustancia de origen natural conduce electricidad cuando sus átomos están en la conformación monoclínica. Y los átomos tardan en reorganizarse cuando un material alcanza la temperatura de transición del aislador al metal.
De manera crucial, las transiciones de dióxido de vanadio entre un metal y un aislante a diferentes temperaturas dependiendo de la cantidad de oxígeno presente en el material. Los investigadores aprovecharon ese hecho para crear dos capas delgadas de dióxido de vanadio, una con una temperatura de transición ligeramente más baja queel otro: encajonado uno encima del otro, con una interfaz nítida entre ellos
Cuando calentaron el sándwich delgado de dióxido de vanadio, una capa hizo que el interruptor estructural se convirtiera en un metal. Los átomos en la otra capa permanecieron bloqueados en la fase monoclínica aislante. Sorprendentemente, esa parte del material condujo electricidad.
Lo más importante, el material se mantuvo estable y retuvo sus características únicas.
Aunque otros grupos de investigación han intentado crear aislantes conductores de la electricidad, esos materiales perdieron sus propiedades casi instantáneamente, persistiendo solo por femtosegundos, o unas pocas milésimas de una billonésima de segundo.
Sin embargo, el material del equipo Eom está aquí para quedarse.
"Pudimos estabilizarlo, haciéndolo útil para dispositivos reales", dice Eom.
La clave de su enfoque fue la estructura sándwich de doble capa. Cada capa era tan delgada que la interfaz entre los dos materiales dominaba cómo se comportaba toda la pila. Es una noción que Eom y sus colegas planean seguir adelante.
"El diseño de interfaces podría abrir nuevos materiales", dice Eom.
La Wisconsin Alumni Research Foundation está ayudando a los investigadores con la presentación de patentes.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Wisconsin-Madison . Original escrito por Sam Million-Weaver. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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