Se muestra un gráfico de una interfaz emergente espontáneamente en un material cuántico. En las capas superior e inferior, los átomos (puntos verdes) del material investigado llevan un momento magnético (flecha roja) que apunta en direcciones opuestas. En estas capas, estos momentos magnéticos no están correlacionados con los electrones circundantes (puntos negros). La capa central es similar a una interfaz electrónica, en el que los átomos no portan momentos magnéticos porque son apantallados por los momentos magnéticos de los electrones circundantes (flechas negras). El efecto de trama se resalta con una nube de trama azul. La dispersión de los electrones de los átomos es diferente en las capas magnéticas y no magnéticas que pueden explotarse para nuevas funcionalidades. Crédito:Laboratorio Nacional de Los Alamos
Podría estar en marcha una revolución potencial en la ingeniería de dispositivos, gracias al descubrimiento de interfaces electrónicas funcionales en materiales cuánticos que pueden autoensamblarse espontáneamente.
"Esto ilustra que si podemos aprender a controlar y explotar las propiedades notables en las interfaces de los materiales cuánticos, esto probablemente resultará en una nueva generación de dispositivos más allá de nuestra imaginación actual, "dijo Marc Janoschek, un físico del Laboratorio Nacional de Los Alamos que, con David Fobes, también de Los Alamos, codirigió el equipo de investigación internacional que realizó el descubrimiento. Sus hallazgos fueron publicados hoy en Física de la naturaleza . "Sin embargo, debido a que los materiales cuánticos son químicamente mucho más complejos en comparación con los materiales 'convencionales' como los semiconductores, sigue siendo un desafío fabricar interfaces de material cuántico limpias ".
Los materiales con propiedades caracterizadas por las leyes de la mecánica cuántica en lugar de la mecánica clásica a menudo tienen características como la superconductividad. Pero una extensa investigación ha demostrado que en las interfaces entre dos materiales, las notables propiedades de los materiales cuánticos pueden mejorarse considerablemente o pueden surgir propiedades funcionales completamente nuevas.
Un ejemplo de la importancia de las interfaces de materiales serían los transistores, cuya función se basa en los efectos físicos que se producen en las interfaces de semiconductores diseñadas artificialmente mediante técnicas como la litografía. Los transistores forman la base de la generación actual de dispositivos electrónicos.
La complejidad de los materiales cuánticos se caracteriza a menudo por la competencia de varias interacciones a nivel cuántico.
"Aquí mostramos que, al mismo tiempo, esta complejidad también proporciona una solución, "dijo Fobes, quien llevó a cabo su investigación postdoctoral bajo la supervisión de Janoschek. Fobes y Janoschek dirigieron el equipo internacional de investigadores que combinaron extensas mediciones de espectroscopía de neutrones de la fuente de neutrones por espalación (SNS) del Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL), Centro de Investigación de Neutrones (NCNR) del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST), Fuente de neutrones y muones del Reino Unido (ISIS), y en el Munich Research Reactor II (FRM II) del Heinz-Mayer-Leibnitz Zentrum en Alemania con modelos teóricos detallados.
Marc Janoschek, izquierda, y David Fobes discuten las características de los materiales cuánticos. Crédito:Laboratorio Nacional de Los Alamos
"Las mediciones de espectroscopía de neutrones fueron cruciales para demostrar que en ciertos metales, la competencia entre varias interacciones puede resolverse mediante la formación espontánea de un estado en el que las propiedades electrónicas y magnéticas se alternan periódicamente, "dijo Georg Ehlers, el científico de ORNL que realizó mediciones de espectroscopía en SNS.
Esta disposición periódica conduce a interfaces entre capas de material alternas que son similares a interfaces en heteroestructuras diseñadas. Sin embargo, las interfaces de autoensamblaje espontáneo identificadas en este estudio tienen ventajas importantes; están intrínsecamente limpios, y los parámetros relevantes, como el grosor de la interfaz, se pueden ajustar in situ mediante parámetros externos, como el campo magnético o la temperatura.
Los ingredientes básicos identificados por Fobes y el equipo son comunes a varias clases de materiales cuánticos y sugieren que estas interfaces intrínsecas y sintonizables pueden ser más frecuentes. Aprender a controlar el autoensamblaje de tales interfaces cuánticas intrínsecas, Sucesivamente, tiene el potencial de revolucionar el diseño de dispositivos, donde los dispositivos no se fabrican sino que se forman espontáneamente a través de la ingeniería cuántica de las interacciones subyacentes a escala atómica. Además, Estos dispositivos se pueden sintonizar y reconfigurar utilizando parámetros externos, posiblemente permitiendo el diseño de electrónica altamente adaptable.
