Los investigadores de la Universidad de Wisconsin-Madison han creado un material que puede pasar de un metal transmisor de electricidad a un material aislante no conductor sin cambiar su estructura atómica.

"Este es un descubrimiento bastante emocionante, "dice Chang-Beom Eom, profesor de ciencia e ingeniería de materiales. "Hemos encontrado un nuevo método de conmutación electrónica".

El nuevo material podría sentar las bases para dispositivos electrónicos ultrarrápidos. Eom y su equipo internacional de colaboradores publicaron detalles de su avance hoy (30 de noviembre de 2018) en la revista Ciencias .

Los metales como el cobre o la plata conducen la electricidad, mientras que los aisladores como el caucho o el vidrio no permiten que fluya la corriente. Algunos materiales, sin embargo, Puede pasar de aislante a conductor.

Esta transición generalmente significa que la disposición de los átomos de un material y sus electrones conductores deben cambiar de manera coordinada, pero la transición atómica normalmente avanza mucho más lentamente que la más pequeña, electrones más ligeros que conducen la electricidad.

Un material que puede cambiar a la conducción de electricidad como un metal sin mover sus átomos podría aumentar drásticamente las velocidades de conmutación de los dispositivos avanzados. dice Eom.

"La transición de metal a aislante es muy importante para los interruptores y para los dispositivos lógicos con un estado de uno o cero, ", dice." Tenemos el potencial de utilizar este concepto para hacer cambios muy rápidos ".

En su investigación, Eom y sus colaboradores respondieron una pregunta fundamental que ha molestado a los científicos durante años:¿Se puede desacoplar la transición electrónica y estructural? ¿Pueden los electrones que cambian rápidamente estallar por sí mismos y dejar atrás los átomos?

Usaron un material llamado dióxido de vanadio, que es un metal cuando se calienta y un aislante cuando está a temperatura ambiente. A altas temperaturas, los átomos que componen el dióxido de vanadio están dispuestos en un patrón que se repite regularmente al que los científicos se refieren como fase de rutilo. Cuando el dióxido de vanadio se enfría para convertirse en un aislante, sus átomos adoptan un patrón diferente, llamado monoclínico.

Ninguna sustancia de origen natural conduce la electricidad cuando sus átomos están en la conformación monoclínica. Y se necesita tiempo para que los átomos se reorganicen cuando un material alcanza la temperatura de transición del aislante al metal.

Crucialmente, El dióxido de vanadio cambia entre un metal y un aislante a diferentes temperaturas dependiendo de la cantidad de oxígeno presente en el material. Los investigadores aprovecharon ese hecho para crear dos capas delgadas de dióxido de vanadio, una con una temperatura de transición ligeramente más baja que la otra, intercaladas una encima de la otra. con una interfaz nítida entre.

Cuando calentaron el fino sándwich de dióxido de vanadio, una capa hizo que el interruptor estructural se convirtiera en metal. Los átomos de la otra capa permanecieron bloqueados en la fase monoclínica aislante. Asombrosamente, sin embargo, esa parte del material conducía la electricidad.

Más importante, el material se mantuvo estable y conservó sus características únicas.

Aunque otros grupos de investigación han intentado crear aislantes conductores de electricidad, esos materiales perdieron sus propiedades casi instantáneamente, persistiendo por meros femtosegundos, o unas milésimas de una billonésima de segundo.

El material del equipo de Eom, sin embargo, está aquí para quedarse.

"Pudimos estabilizarlo, haciéndolo útil para dispositivos reales, "dice Eom.

La clave de su enfoque fue la doble capa, estructura sándwich. Cada capa era tan delgada que la interfaz entre los dos materiales dominaba el comportamiento de toda la pila. Es una noción que Eom y sus colegas planean seguir adelante.

"El diseño de interfaces podría abrir nuevos materiales, "dice Eom.

La Fundación de Investigación de Antiguos Alumnos de Wisconsin está ayudando a los investigadores con la presentación de patentes.