Un equipo internacional de investigadores, trabajando en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía Berkeley Lab y UC Berkeley, fabricó un material atómicamente delgado y midió sus propiedades exóticas y duraderas que lo convierten en un candidato prometedor para una floreciente rama de la electrónica.conocido como "spintronics"
El material, conocido como 1T'-WTe2, une dos campos de investigación florecientes: el de los llamados materiales 2-D, que incluyen materiales monocapa como el grafeno que se comportan de manera diferente a sus formas más gruesas; y topológicomateriales, en los que los electrones pueden circular de manera predecible con casi ninguna resistencia e independientemente de los defectos que normalmente impedirían su movimiento.
En los bordes de este material, el giro de los electrones, una propiedad de partículas que funciona un poco como una aguja de la brújula que apunta hacia el norte o el sur, y su impulso está estrechamente vinculado y es predecible.
Esta última evidencia experimental podría elevar el uso del material como sujeto de prueba para aplicaciones de próxima generación, como una nueva generación de dispositivos electrónicos que manipulan su propiedad de giro para transportar y almacenar datos de manera más eficiente que los dispositivos actuales. Estos rasgos sonfundamental para la spintrónica.
El material se llama aislante topológico porque su superficie interior no conduce electricidad y su conductividad eléctrica el flujo de electrones está restringida a sus bordes.
"Este material debería ser muy útil para los estudios de espintrónica", dijo Sung-Kwan Mo, físico y científico del personal de Advanced Light Source ALS de Berkeley Lab que codirigió el estudio, publicado en Física de la naturaleza .
"El flujo de electrones está completamente relacionado con la dirección de sus espines, y está limitado solo a los bordes del material", dijo Mo. "Los electrones viajarán en una dirección y con un tipo de giro, que esuna calidad útil para dispositivos spintronics ". Esos dispositivos podrían transportar datos de manera más fluida, con menores demandas de energía y acumulación de calor de lo que es típico para los dispositivos electrónicos actuales.
"Estamos entusiasmados con el hecho de que hemos encontrado otra familia de materiales donde podemos explorar la física de los aislantes topológicos 2-D y hacer experimentos que pueden conducir a futuras aplicaciones", dijo Zhi-Xun Shen, profesoren Ciencias Físicas en la Universidad de Stanford y el Asesor de Ciencia y Tecnología en el Laboratorio Nacional de Aceleradores de SLAC, que también co-dirigió el esfuerzo de investigación. "Se sabe que esta clase general de materiales es robusta y se sostiene bien bajo diversas condiciones experimentales, y estoslas cualidades deberían permitir que el campo se desarrolle más rápido ", agregó.
El material fue fabricado y estudiado en el ALS, una instalación de investigación de rayos X conocida como sincrotrón. Shujie Tang, investigadora postdoctoral visitante en Berkeley Lab y la Universidad de Stanford, y coautora principal del estudio, fue instrumental encultivar muestras cristalinas de 3 átomos de espesor del material en un compartimento altamente purificado y sellado al vacío en el ALS, utilizando un proceso conocido como epitaxia de haz molecular.
Las muestras de alta pureza se estudiaron en el ALS utilizando una técnica conocida como ARPES o espectroscopía de fotoemisión con resolución angular, que proporciona una poderosa sonda de las propiedades electrónicas de los materiales.
"Después de refinar la receta de crecimiento, la medimos con ARPES. Inmediatamente reconocimos la estructura electrónica característica de un aislante topológico 2-D", dijo Tang, basado en la teoría y las predicciones. "Fuimos los primeros en realizar estotipo de medida en este material "
Pero debido a que la parte conductora de este material, en su borde más externo, medía solo unos pocos nanómetros de espesor, miles de veces más delgado que el foco del haz de rayos X, fue difícil identificar positivamente todas las propiedades electrónicas del material.
Entonces, los colaboradores de UC Berkeley realizaron mediciones adicionales a escala atómica utilizando una técnica conocida como STM, o microscopía de túnel de barrido. "STM midió su estado de borde directamente, por lo que fue una contribución realmente clave", dijo Tang.
El esfuerzo de investigación, que comenzó en 2015, involucró a más de dos docenas de investigadores en una variedad de disciplinas. El equipo de investigación también se benefició del trabajo computacional en el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación de Energía de Berkeley Lab NERSC.
Los materiales bidimensionales tienen propiedades electrónicas únicas que se consideran clave para adaptarlos para aplicaciones de spintronics, y existe un esfuerzo de I + D mundial muy activo centrado en adaptar estos materiales para usos específicos mediante el apilamiento selectivo de diferentes tipos.
"Los investigadores están tratando de emparedarlos uno encima del otro para ajustar el material como lo deseen, como bloques de Lego", dijo Mo. "Ahora que tenemos pruebas experimentales de las propiedades de este material, queremos apilarlo conotros materiales para ver cómo cambian estas propiedades "
Un problema típico al crear tales materiales de diseño a partir de capas atómicamente delgadas es que los materiales suelen tener defectos a nanoescala que pueden ser difíciles de eliminar y que pueden afectar su rendimiento. Pero debido a que 1T'-WTe2 es un aislante topológico, sus propiedades electrónicas son porresistente a la naturaleza.
"A nanoescala puede que no sea un cristal perfecto", dijo Mo, "pero la belleza de los materiales topológicos es que incluso cuando tienes cristales menos perfectos, los estados del borde sobreviven. Las imperfecciones no rompen las propiedades clave"
En el futuro, los investigadores buscan desarrollar muestras más grandes del material y descubrir cómo ajustar selectivamente y acentuar propiedades específicas. Además de sus propiedades topológicas, sus "materiales hermanos", que tienen propiedades similares y también fueron estudiados por el equipo de investigación,se sabe que son sensibles a la luz y tienen propiedades útiles para las células solares y para la optoelectrónica, que controlan la luz para su uso en dispositivos electrónicos.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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