Crédito:MIPT
Un equipo de investigadores de la Academia de Ciencias de Rusia (RAS), en colaboración con un colega de RIKEN (Instituto de Investigación Física y Química de Japón), ha proporcionado pruebas teóricas de la existencia de una nueva clase de materiales, semimetales de spin-valley. Su artículo fue publicado en la revista Cartas de revisión física . El descubrimiento tiene aplicaciones potenciales en dispositivos electrónicos implantables y dispositivos basados en grafeno. nanotubos, y varios otros materiales prometedores.
El mecanismo microscópico propuesto por los investigadores difiere significativamente del modelo habitual de medio metal basado en una fuerte interacción electrón-electrón. Esto podría dar lugar a una nueva dirección en la búsqueda de semimetales "no metálicos", es decir., aquellos que no contienen átomos de metales de transición como el níquel, manganeso y lantano. Dichos materiales serían útiles en dispositivos y sistemas implantables. Los autores utilizan el término "spin-valley-tronics" para referirse a esta posible alternativa a la electrónica tradicional.
A medida que la electrónica se vuelve más pequeña y más densamente organizada, Es muy difícil seguir aumentando el número de transistores o la frecuencia de reloj del microprocesador. Por eso, los investigadores de todo el mundo están explorando nuevas posibilidades. Uno de ellos es la espintrónica, que hace uso de espines de electrones y ya tiene algunas aplicaciones prácticas importantes. Alrededor del cambio de siglo, El uso de materiales de magnetorresistencia gigantes en sensores de campo magnético (utilizados para leer datos en unidades de disco duro) ha permitido el almacenamiento de cantidades mucho mayores de datos en discos duros.
Se cree que los semimetales tienen un gran potencial en espintrónica. Primero se predijeron en base a simulaciones por computadora y luego se demostró que existían experimentalmente. En un material semimetálico, electrones de una sola orientación de espín, por ejemplo, girar — participar en la corriente eléctrica. La energía de los electrones de spin-down es demasiado alta, y por lo tanto no pueden llevar corriente de carga. Esto significa que cuando la corriente pasa a través de un medio metal, se genera una corriente de espín polarizado, así como. Pero spin-valley-tronics busca manipular no solo una población de electrones de espín polarizado en la corriente, sino también el llamado índice de valle.
El término "valle" se toma prestado de la física de semiconductores. Matemáticamente, la energía de excitación en un sólido se expresa por E (k, norte), donde k es el momento del electrón yn es el índice de zona, es decir., una propiedad cuántica discreta del estado del electrón. Esta función puede parecer bastante extraña, y en el caso de varios mínimos con energías de excitación comparables, hay múltiples "valles". Esencialmente, los electrones cuyos estados corresponden a uno de los valles no interactúan con los electrones de otro valle. Tal conjunto de electrones puede transportar no solo espín y carga, sino también un valor distinto llamado índice de valle.
Fig. 1. El término "espín" se refiere al momento angular intrínseco de una partícula. El giro de una partícula tiene una magnitud y una dirección. En el caso del electrón, la magnitud es 1/2 veces la constante de Planck, y la dirección es hacia arriba o hacia abajo. Crédito:10.1103 / PhysRevLett.119.107601
El índice del valle se puede utilizar para transferir información con la ayuda de las corrientes del valle; en este sentido, el índice de valle es bastante similar al giro. Actualmente, varios grupos están investigando en esta dirección. Los investigadores ahora han demostrado teóricamente la existencia de una nueva clase de materiales para su uso en spin-valley-tronics.
Todos los semimetales disponibles para los investigadores contienen átomos de metales de transición:níquel, manganeso, lantano, etc. Los investigadores demostraron un mecanismo teórico para lograr la semi-metalicidad que no requiere átomos de metales de transición. Esto tiene una serie de aplicaciones útiles, incluso en dispositivos implantables.
Los físicos sugieren que tales semimetales no metálicos se obtengan de una clase especial de materiales dieléctricos llamados aislantes de ondas de densidad de carga o de espín. El término se refiere a un estado con regiones microscópicas periódicas con carga promedio (espín) distinta de cero en el material. Los teóricos describen tales sistemas como un condensado cuántico de pares de electrones y huecos. Para que se forme un par de este tipo, se requieren dos valles:uno proporciona electrones, el otro proporciona agujeros. Es la presencia de dos valles en el sistema original lo que da lugar a la semimetalicidad del valle de espín. En física de semiconductores, un "agujero" es una cuasipartícula que se considera que tiene una carga positiva.
Figura 2. En la figura, la energía de los electrones y los huecos se representa en función del momento. (Las cuatro curvas negras corresponden a dos proyecciones de espín de electrones y dos proyecciones de espín de agujero). La curva gruesa corresponde a estados de electrones capaces de conducir una corriente eléctrica (formando una superficie de Fermi). Dependiendo de la orientación mutua de los espines de los electrones (flechas azules) y los agujeros (flechas rojas) en la superficie de Fermi, el sistema es un semimetal ordinario (c) o un semimetal de valle de espín (d). Crédito:10.1103 / PhysRevLett.119.107601
Para que un material con una onda de densidad se convierta en un medio metal, requiere un tratamiento especial conocido como dopaje. Esto implica la incorporación de electrones o huecos en el aislante. Alexander Rozhkov, coautor del artículo e investigador del Departamento de Problemas de Física y Energética del MIPT, explica que un sistema puede ser dopado sometiéndolo a un campo eléctrico externo o modificaciones químicas de volumen o superficie:"Para cada sistema, un tipo adecuado de átomo de dopaje, como nitrógeno, fósforo, o algún otro elemento, debe seleccionarse. Al reemplazar los átomos del sistema anfitrión con impurezas que donan o aceptan electrones de conducción, se induce un cambio en las propiedades del material original ".
La posibilidad de dopar materiales con ondas de densidad se ha discutido en la literatura durante mucho tiempo. Los sistemas tratados por los investigadores tienen varias fases, incluyendo espacialmente no homogéneo, por ejemplo, estados con la denominada separación electrónica de fases, y las fases con muros de dominio, a menudo llamado "rayas". Ahora, los investigadores han hecho el descubrimiento inesperado de dos nuevas fases:la semi-metalicidad regular y la mitad del valle de espín.
Artem Sboychakov, uno de los autores del artículo e investigador senior en ITAE RAS, dijo, "En cierto sentido, nuestro descubrimiento resultó ser una sorpresa incluso para nosotros mismos. El modelo físico que, nosotros encontramos, tiene una fase semimetálica de valle de espín es clásica; se ha estudiado durante décadas. Ahora depende de los experimentadores. Hay muchos materiales adecuadamente descritos por el modelo que tratamos. Por lo tanto, estoy convencido de que la fase que predijimos finalmente se descubrirá, ya sea en un material que está disponible en la actualidad o en uno que aún no se ha sintetizado ".
