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 los momentos de los electrones allí.

La energía y el impulso de estos electrones, conocida 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 la 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 trazado la energía y la cantidad de movimiento de los electrones en todo el material. Los resultados se publican hoy en la revista Ciencias .

Al visualizar la estructura de la banda, no solo en la superficie sino en todo el material, los científicos pueden identificar mejor materiales semiconductores más rápidos. También pueden observar las extrañas interacciones de los electrones que pueden dar lugar a la superconductividad dentro de ciertos materiales exóticos.

"Los electrones se mueven constantemente en un material, y tienen un 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 qué tipo de dispositivos eléctricos podemos fabricar. Gran parte de los componentes electrónicos importantes del mundo existen bajo la superficie, en estos sistemas que no hemos podido sondear profundamente hasta ahora. Así que estamos muy emocionados, las posibilidades aquí son bastante amplias ".

Los coautores de Ashoori son el postdoctorado Joonho Jang y el estudiante de posgrado 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 momento de los electrones en la superficie de un material. Para hacerlo han utilizado espectroscopia de fotoemisión de resolución angular, o ARPES, una técnica estándar que emplea luz para excitar electrones y hacerlos saltar desde la superficie de un material. Los electrones expulsados ​​son capturados, y su energía y momento se miden en un detector. Luego, los científicos pueden usar estas medidas para calcular la energía y el momento de los electrones dentro del resto del material.

"[ARPES] es maravilloso y ha funcionado muy bien para las superficies, "Dice Ashoori." El problema es, 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 aisladores, materiales dentro de los cuales la corriente eléctrica no fluye libremente. ARPES tampoco funciona en un campo magnético, que puede alterar en gran medida las propiedades electrónicas dentro de un material.

La técnica desarrollada por el equipo de Ashoori continúa donde ARPES termina y permite a los científicos observar las energías y los momentos de los electrones debajo de las superficies de los materiales. incluso en aisladores y bajo 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 se han creado antes ".

Túnel a través

La técnica del equipo se llama espectroscopia de tunelización resuelta por impulso y energía, o MERTS, y se basa en la tunelización de la mecánica cuántica, un proceso por el cual los electrones pueden atravesar barreras energéticas simplemente apareciendo en el otro lado, un fenómeno que nunca ocurre en el macroscópico, mundo clásico que habitamos. Sin embargo, a escala cuántica de átomos y electrones individuales, En ocasiones, pueden producirse efectos extraños, como la construcción de túneles.

"Sería como si estuvieras en bicicleta en un valle, y si no puedes pedalear simplemente rodarías hacia adelante y hacia atrás. Nunca pasarías de la colina al siguiente valle "Dice Ashoori." Pero con la mecánica cuántica, tal vez una de cada pocos miles o millones de veces, simplemente aparecerías en el otro lado. Eso no sucede de manera clásica ".

Ashoori y sus colegas emplearon la construcción de 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 utilizar la tunelización para enviar electrones.

El equipo creó un sistema de electrones bidimensionales conocido como pozo cuántico. El sistema consta de dos capas de arseniuro de galio, separados por una delgada barrera hecha de otro material, arseniuro de aluminio y galio. Normalmente en un sistema de este tipo, los electrones en el arseniuro de galio son repelidos por el arseniuro de galio y aluminio, y no atravesaría la capa de barrera.

"Sin embargo, en 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 hacia la segunda capa. Cada vez que un paquete de electrones atravesaba la barrera, el equipo pudo medir una corriente usando electrodos remotos. También ajustaron el impulso y la energía de los electrones aplicando un campo magnético perpendicular a la dirección del túnel. Razonaron que los electrones que pudieron atravesar la segunda capa de arseniuro de galio lo hicieron porque sus momentos y energías coincidían con los de los estados electrónicos de esa capa. En otras palabras, el impulso y la energía de los electrones que forman un túnel en el arseniuro de galio eran los mismos que los de los electrones que residen dentro del material.

Al sintonizar los pulsos de electrones y registrar los electrones que pasaron al otro lado, los investigadores pudieron mapear la energía y el impulso de los electrones dentro del material. A pesar de existir en un sólido y estar rodeado de átomos, estos electrones a veces pueden comportarse como 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 el arseniuro de galio, y la distribución resultante tiene la forma de una parábola. La medición de esta parábola da una medida directa de la masa efectiva del electrón en el material.

Exótico, fenómenos invisibles

Los investigadores utilizaron su técnica para visualizar el comportamiento de los electrones en el arseniuro de galio en diversas condiciones. En varias ejecuciones 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 en las pequeñas torceduras que aparecieron en el espectro ".

También realizaron los experimentos en menos de un segundo, campo magnético perpendicular y pudieron observar cambios en el comportamiento de los electrones a intensidades de campo dadas.

"En un campo perpendicular, las parábolas o energías se convierten en saltos discretos, como un campo magnético hace que los electrones giren en círculos dentro de esta hoja, "Dice Ashoori.

"Esto nunca se había 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 electrones con iones vibrantes dentro del material.

"En determinadas condiciones, Descubrimos que podemos hacer que los electrones y los iones interactúen con tanta fuerza, con la misma energía, que parecen una especie de partículas compuestas:una partícula más una vibración juntas, "Dice Jang.

Elaborando más, Ashoori explica que "es como un avión, viajando a una cierta velocidad, luego golpeando la barrera sónica. Ahora está esta cosa compuesta del avión y el boom sónico. Y podemos ver este tipo de explosión sónica:estamos alcanzando esta frecuencia vibratoria, y hay una sacudida allí ".

El equipo espera usar su técnica para explorar aún más exóticos, Fenómenos invisibles debajo de la superficie del material.

"Se prevé que los electrones hagan cosas divertidas, como agruparse en pequeñas burbujas o franjas, "Dice Ashoori." Estas son cosas que esperamos ver con nuestra técnica de túnel. Y creo que tenemos el poder para hacer eso ".