Las interfaces entre diferentes materiales y sus propiedades son de importancia clave para la tecnología moderna. Junto con un equipo internacional, los físicos de la Universidad de Würzburg han desarrollado un nuevo método que les permite tener una visión extremadamente precisa de estas interfaces y modelar sus propiedades.
En su Conferencia Nobel del 8 de diciembre de 2000, Herbert Kroemer acuñó el dicho "la interfaz es el dispositivo". Kroemer se refirió al campo maduro de las heteroestructuras de semiconductores, que forman la base de toda la electrónica moderna.
Sin embargo, ahora, en el advenimiento de dispositivos novedosos y potentes basados en materiales topológicos y correlacionados más complejos y versátiles, la declaración es más oportuna que nunca. Dichos materiales están en el centro de la investigación en el Departamento de Física y Astronomía en WürzburgUniversidad: actualmente, 16 grupos están trabajando en este campo, y en 2015 se estableció un Centro de Investigación Colaborativa CRC 1170, financiado por la Fundación Alemana de la Ciencia DFG con casi 10 millones de euros.
Publicación en Materiales cuánticos de la naturaleza
En los últimos años, físicos de la Universidad de Würzburg y compañeros de trabajo de Alemania, Canadá, Estados Unidos y Corea desarrollaron un nuevo método para descubrir importantes propiedades de carga de interfaces de óxido correlacionadas con una resolución de escala atómica sin precedentes. El equipo del profesor Vladimir Hinkov y sus colegas informansobre este método experimental en la edición actual de Nature Journal "NPJ Quantum Materials".
"Los chips electrónicos convencionales se basan en redes de las llamadas uniones pn, interfaces entre semiconductores que llevan cargas positivas y negativas, respectivamente", dice Vladimir Hinkov, que describe los antecedentes de esta investigación. Hay varios inconvenientes para tal configuración: Primero, las uniones son gruesas, a menudo del orden de cientos de espacios interatómicos. En segundo lugar, operar la red requiere el movimiento de muchos electrones, lo que cuesta mucha energía debido a la resistencia eléctrica. En tercer lugar, los semiconductores no tienen intrínsecamente propiedades magnéticas y susla configuración electrónica es muy básica ". Esto limita drásticamente las formas de construir uniones funcionales y realizar aplicaciones magnéticas", informa Hinkov.
Las propiedades versátiles requieren métodos sofisticados
Los óxidos de metales de transición, por otro lado, exhiben muchas propiedades diferentes: algunos de ellos son ferromagnéticos, otros son antiferromagnéticos y otros a su vez son superconductores de alta temperatura con propiedades muy poco convencionales. La formación de interfaces entre estos materiales produce una gran cantidad defenómenos, que son prometedores para aplicaciones novedosas como sensores diferentes, memoria de computadora sin pérdidas y procesadores ultrarrápidos. El precio que uno tiene que pagar es que se necesitan herramientas más sofisticadas para estudiarlos: esto se debe a la variedad de fenómenos y a la gran cantidad deescala de longitud más corta, sobre la cual las propiedades de los óxidos cambian en tales heterointerfaces, que a menudo son solo unos pocos espacios atómicos.
De crucial importancia es el comportamiento de los electrones en la interfaz: ¿tienden a acumularse? ¿Qué orbitales ocupan, es decir, cómo se organizan las nubes de electrones alrededor de los átomos? ¿Hay un orden magnético, es decir, los pequeños momentos magnéticos de¿Los electrones llamados espines se alinean entre sí, estableciendo un orden magnético? Los físicos de todo el mundo están buscando respuestas a estas preguntas.
Mediciones a escala atómica
Hinkov y sus colegas desarrollaron un nuevo método y software de análisis, y proporciona respuestas. Se basa en la "reflectometría de rayos X resonante", una técnica que explota la luz de rayos X creada en un sincrotrón, con una resolución de escala atómica menorde un nanómetro. Los físicos aplican la técnica en películas delgadas de óxido de cobalto de lantano, un material que tiene interesantes propiedades magnéticas.
Sin embargo, en su trabajo actual, los científicos se han concentrado en otro aspecto: "Antes de que podamos profundizar en los ricos fenómenos magnéticos de este material, primero tenemos que resolver un problema fundamental y muy extendido", dice el profesor Hinkov ".Al igual que muchos otros materiales, como la sal de mesa simple y muchos semiconductores, el óxido de cobalto lantano consiste en partículas cargadas. Estos llamados iones forman una secuencia de capas atómicas cargadas positiva y negativamente, apiladas en una película delgada de 15 nanómetros ".que se forman enormes campos electrostáticos entre las capas, lo cual es un problema, ya que cuestan mucha energía ", como explica Vladimir Hinkov.
"La naturaleza es económica y evita estos costos de energía de campo: trae cargas positivas y negativas a las caras opuestas de la película, respectivamente, al igual que entre las placas de un condensador. Se forma un nuevo campo, que es opuesto al originaluno y que lo cancela "
Las interfaces corrugadas constituyen un problema
Esta acumulación de carga electrónica pura en las caras de la película se llama "reconstrucción electrónica". Según los físicos, esta es una solución muy elegante, ya que preserva la suavidad de la cara de la película. Para materiales en los que la reconstrucción electrónica no es posible,la carga de compensación es proporcionada por iones comparativamente grandes, lo que da como resultado caras de película corrugada. Como explica Hinkov, tales corrugaciones son perjudiciales para dispositivos basados en interfaces de película, especialmente cuando, como en los óxidos de metales de transición, las propiedades del material cambian a escala atómicaen la interfaz.
Explotando el nuevo método, el presente trabajo muestra evidencia microscópica de que la reconstrucción electrónica se realiza en las interfaces de óxido de metal de transición. El método también ofrece la posibilidad de estudiar las propiedades microscópicas de tales interfaces, que no se limitan a la reconstrucción electrónica, sinoabarcan la disposición de los elementos químicos, la ocupación electrónica de los orbitales atómicos y la orientación del giro.
Exitoso por estrecha colaboración internacional
El especial "entorno de Würzburg" y la estrecha colaboración internacional permitieron este trabajo exitoso. "Este esfuerzo científico solo es posible cuando expertos de muchos campos diferentes trabajan en estrecha colaboración", dice el profesor Hinkov. Se necesitan muestras excelentes, alta precisión xinstrumentos de dispersión de rayos, que funcionan con fuentes de luz modernas de sincrotrón, un software dedicado y, por último, pero no menos importante, "colegas que están dispuestos a pasar día y noche en el sincrotrón para realizar las mediciones".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Julius-Maximilians-Universität Würzburg, JMU . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cite esta página :