¿Quién adivinaría que descifrar el misterio de cómo los átomos infinitesimalmente pequeños se organizan en los bordes de los cristales en materiales avanzados podría ser tan simple como uno? dos, ¿Tres?

Modelar la estructura molecular de la superficie de un cristal normalmente requiere computadoras potentes, pero los ingenieros de la Universidad de Wisconsin-Madison han ideado un método mucho más simple, uno que es tan fácil como contar con lápiz y papel.

La estrategia simple podría ayudar a producir chips de computadora ultrarrápidos basados ​​en materiales distintos al silicio.

"Nos sorprendió descubrir que era, De hecho, tan sencillo, "dice Jason Kawasaki, profesor de ciencia e ingeniería de materiales de la UW-Madison. "Con algunos pequeños ajustes, pudimos predecir estructuras que eran cuantitativamente muy precisas ".

Eran tan precisos que su nuevo enfoque de predicción, publicado el 1 de junio de 2018 en la revista Avances de la ciencia , ofrece un procedimiento rápido y fácil para concentrarse en materiales prometedores para su uso en electrónica avanzada, como las computadoras cuánticas, que resuelven problemas mucho más rápidamente que las máquinas convencionales basadas en silicio.

"Antes de poder utilizar materiales de formas interesantes para dispositivos de próxima generación, necesitas entender cómo cambia la estructura en la superficie, "dice Kawasaki.

La predicción precisa de las estructuras de la superficie de los cristales es un problema que ha atormentado a los científicos durante mucho tiempo. Los átomos en el borde de un material tienden a reorganizarse, a veces perdiendo sus propiedades electrónicas o magnéticas.

Kawasaki y sus colegas se centraron en un tipo de materiales llamados compuestos de medio Heusler, que tienen varias propiedades electrónicas y magnéticas sintonizables. Desafortunadamente, muchos semi-Heuslers no funcionan como se predijo cuando se combinan con otros materiales o se reducen a una superficie plana.

"Cuando tienes pequeños reordenamientos de átomos, puedes tener grandes cambios de propiedades, "dice Kawasaki.

Todos los materiales están formados por átomos, que tienen núcleos en sus centros rodeados por nubes en constante cambio de diminutas partículas subatómicas llamadas electrones. Los átomos pueden unirse, o vínculo, compartiendo algunos de sus electrones entre sí. Los cristales consisten en muchos átomos unidos entre sí en un patrón repetitivo y ordenado regularmente. Ese patrón se rompe sin embargo, en superficies o interfaces de cristal, dejando algunos átomos sin compañeros y electrones no compartidos colgando del material a granel.

Dentro de los rígidos interiores de los cristales, Simulaciones sofisticadas pueden determinar arreglos atómicos, pero las computadoras necesitan las mejores conjeturas iniciales en las configuraciones para crear predicciones estructurales.

Por mucho tiempo, Las mejores suposiciones en la superficie eran imposibles de obtener porque la presencia de electrones colgantes hace que el número de posibles conformaciones se dispare.

"No existían las herramientas adecuadas ni el marco teórico adecuado, "dice Kawasaki.

El marco teórico correcto resultó ser sorprendentemente simple, regido por reglas básicas de química. Todo lo que se necesita es contar todos los electrones que cada átomo trae a la superficie, contar todos los electrones que se predice que están en enlaces, y determinar si esos números coinciden. Cuando se tienen en cuenta todos los electrones, Es probable que la estructura sea estable. Que no, está de vuelta a la mesa de dibujo.

El conteo es tan sencillo que Kawasaki puede usar literalmente lápiz y papel para realizar cálculos.

Se sabe que las reglas de conteo funcionan bien para materiales simples. Sin embargo, Los científicos asumieron que las nubes de electrones para los átomos metálicos que componen los materiales de la mitad de Heusler eran demasiado complicadas para una contabilidad tan básica.

Kawasaki y sus colegas demostraron que esa noción estaba equivocada.

"Descubrimos que muchas de las reglas generales que se han desarrollado para comprender la unión en sistemas simples se pueden mapear en estos materiales más complejos, "dice Kawasaki.

Usando este enfoque, Kawasaki y sus colegas predijeron y confirmaron la configuración de la superficie de un importante material de medio Heusler llamado antimonio de titanio y cobalto. que es un semiconductor potencialmente útil. Los investigadores midieron la superficie del cristal con técnicas de imagen avanzadas, observando que sus predicciones en lápiz y papel se alineaban perfectamente con configuraciones atómicas reales.

Luego, los investigadores aplicaron su método a dos compuestos de mitad Heusler más, un semimetal y un ferromagnet, y planean identificar materiales más prometedores.

Kawasaki realizó los experimentos de medición y crecimiento de cristales en colaboración con Chris Palmstrøm, miembro de la facultad de ingeniería eléctrica e informática y ciencia de los materiales en la Universidad de California, Santa Bárbara.