Por primera vez, los físicos han desarrollado una técnica que puede mirar profundamente debajo de la superficie de un material para identificar las energías y momentos de los electrones allí.
La energía y el momento de estos electrones, conocidos como "estructura de banda" de un material, son propiedades clave que describen cómo se mueven los electrones a través de un material. En última instancia, la estructura de banda determina las propiedades eléctricas y ópticas de un material.
El equipo, en el MIT y la Universidad de Princeton, ha utilizado la técnica para sondear una lámina semiconductora de arseniuro de galio, y ha mapeado la energía y el momento de los electrones en todo el material. Los resultados se publican en la revista ciencia .
Al visualizar la estructura de la banda, no solo en la superficie sino a lo largo de un material, los científicos pueden identificar materiales semiconductores mejores y más rápidos. También pueden observar las extrañas interacciones electrónicas que pueden dar lugar a la superconductividad dentro de ciertos elementos exóticosmateriales
"Los electrones se mueven constantemente en un material y tienen cierto impulso y energía", dice Raymond Ashoori, profesor de física en el MIT y coautor del artículo. "Estas son propiedades fundamentales que nos pueden decir quétipo de dispositivos eléctricos que podemos fabricar. Gran parte de la electrónica importante del mundo existe bajo la superficie, en estos sistemas que no hemos podido sondear profundamente hasta ahora. Así que estamos muy entusiasmados, las posibilidades aquí sonbastante vasto "
Los coautores de Ashoori son Joonho Jang postdoctorado y el estudiante graduado Heun Mo Yoo, junto con Loren Pfeffer, Ken West y Kirk Baldwin, de la Universidad de Princeton.
Imágenes debajo de la superficie
Hasta la fecha, los científicos solo han podido medir la energía y el impulso de los electrones en la superficie de un material. Para ello, han utilizado la espectroscopía de fotoemisión con resolución angular, o ARPES, una técnica estándar que emplea luz para excitar electrones y producirsaltan de la superficie de un material. Los electrones expulsados son capturados, y su energía y su momento se miden en un detector. Los científicos pueden usar estas medidas para calcular la energía y el momento de los electrones en el resto del material.
"[ARPES] es maravilloso y ha funcionado muy bien para superficies", dice Ashoori. "El problema es que no hay una forma directa de ver estas estructuras de bandas dentro de los materiales".
Además, ARPES no se puede utilizar para visualizar el comportamiento de los electrones en los aisladores, materiales dentro de los cuales la corriente eléctrica no fluye libremente. ARPES tampoco funciona en un campo magnético, lo que puede alterar en gran medida las propiedades electrónicas dentro de un material.
La técnica desarrollada por el equipo de Ashoori retoma donde ARPES se detiene y permite a los científicos observar energías electrónicas y momentos debajo de las superficies de los materiales, incluso en aisladores y debajo de un campo magnético.
"Estos sistemas electrónicos por su naturaleza existen debajo de la superficie, y realmente queremos entenderlos", dice Ashoori. "Ahora podemos obtener estas imágenes que nunca antes se habían creado".
Túnel a través de
La técnica del equipo se llama espectroscopía de túnel de momento y energía resuelta, o MERTS, y se basa en el túnel mecánico cuántico, un proceso mediante el cual los electrones pueden atravesar barreras energéticas simplemente apareciendo en el otro lado, un fenómeno que nunca ocurre en elmundo clásico macroscópico en el que habitamos. Sin embargo, en la escala cuántica de átomos y electrones individuales, ocasionalmente pueden producirse efectos extraños como túneles.
"Sería como si estuvieras en una bicicleta en un valle, y si no puedes pedalear, simplemente rodarías de un lado a otro. Nunca superarías la colina hasta el siguiente valle", dice Ashoori."Pero con la mecánica cuántica, tal vez una vez de cada miles o millones de veces, simplemente aparecerías del otro lado. Eso no sucede de manera clásica".
Ashoori y sus colegas emplearon túneles para sondear una lámina bidimensional de arseniuro de galio. En lugar de hacer brillar la luz para liberar electrones de un material, como hacen los científicos con ARPES, el equipo decidió usar túneles para enviar electrones.
El equipo estableció un sistema de electrones bidimensional conocido como pozo cuántico. El sistema consta de dos capas de arseniuro de galio, separadas por una delgada barrera hecha de otro material, el arseniuro de aluminio y galio. Normalmente en dicho sistema, los electrones enel arseniuro de galio es repelido por el arseniuro de aluminio y galio, y no atraviesan la capa de barrera.
"Sin embargo, en la mecánica cuántica, de vez en cuando, un electrón simplemente aparece", dice Jang.
Los investigadores aplicaron pulsos eléctricos para expulsar electrones de la primera capa de arseniuro de galio y hacia la segunda capa. Cada vez que un paquete de electrones atravesaba la barrera, el equipo podía medir una corriente usando electrodos remotos.El momento y la energía de los electrones aplicando un campo magnético perpendicular a la dirección del túnel. Razonaron que aquellos electrones que pudieron hacer un túnel a través de la segunda capa de arseniuro de galio lo hicieron porque sus momentos y energías coincidían con los de los estados electrónicos en esa capa.En otras palabras, el impulso y la energía de los electrones que se tunelizan en arseniuro de galio fueron los mismos que los de los electrones que residen dentro del material.
Al sintonizar pulsos de electrones y registrar los electrones que pasaron al otro lado, los investigadores pudieron mapear la energía y el momento de los electrones dentro del material. A pesar de existir en un sólido y estar rodeados de átomos, estos electrones a veces pueden comportarseal igual que los electrones libres, aunque con una "masa efectiva" que puede ser diferente a la masa de electrones libres. Este es el caso de los electrones en arseniuro de galio, y la distribución resultante tiene la forma de una parábola. La medición de esta parábola da una respuesta directa.medida de la masa efectiva del electrón en el material.
Exóticos, fenómenos invisibles
Los investigadores utilizaron su técnica para visualizar el comportamiento de los electrones en el arseniuro de galio en diversas condiciones. En varias pruebas experimentales, observaron "torceduras" en la parábola resultante, que interpretaron como vibraciones dentro del material.
"A los átomos de galio y arsénico les gusta vibrar a ciertas frecuencias o energías en este material", dice Ashoori. "Cuando tenemos electrones alrededor de esas energías, pueden excitar esas vibraciones. Y pudimos ver eso por primera vez, enlas pequeñas torceduras que aparecieron en el espectro "
También realizaron los experimentos bajo un segundo campo magnético perpendicular y pudieron observar cambios en el comportamiento de los electrones a las intensidades de campo dadas.
"En un campo perpendicular, las parábolas o energías se convierten en saltos discretos, ya que un campo magnético hace que los electrones giren en círculos dentro de esta hoja", dice Ashoori.
"Esto nunca se ha visto antes"
Los investigadores también encontraron que, bajo ciertas intensidades de campo magnético, la parábola ordinaria se parecía a dos donas apiladas.
"Fue realmente un shock para nosotros", dice Ashoori.
Se dieron cuenta de que la distribución anormal era el resultado de la interacción de los electrones con los iones vibrantes dentro del material.
"En ciertas condiciones, descubrimos que podemos hacer que los electrones e iones interactúen tan fuertemente, con la misma energía, que se vean como una especie de partículas compuestas: una partícula más una vibración juntas", dice Jang.
Explicando más, Ashoori explica que "es como un avión, viajando a cierta velocidad, luego golpeando la barrera sónica. Ahora hay esta cosa compuesta del avión y el boom sónico. Y podemos ver este tipo de boom sónico -- Estamos alcanzando esta frecuencia vibratoria, y hay una sacudida sucediendo allí ".
El equipo espera usar su técnica para explorar fenómenos aún más exóticos e invisibles debajo de la superficie del material.
"Se predice que los electrones harán cosas divertidas como agruparse en pequeñas burbujas o rayas", dice Ashoori. "Estas son cosas que esperamos ver con nuestra técnica de túnel. Y creo que tenemos el poder para hacerlo".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por Jennifer Chu. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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