Los electrones que fluyen a través del límite entre dos materiales son la base de muchas tecnologías clave, desde memorias flash hasta baterías y células solares. Ahora, los investigadores han observado y registrado directamente estos pequeños movimientos transfronterizos por primera vez, observando cómo los electrones corrían siete décimas de nanómetro, aproximadamente el ancho de siete átomos de hidrógeno, en 100 millonésimas de mil millonésimas de segundo.

Dirigido por científicos del Laboratorio Nacional Acelerador SLAC del Departamento de Energía y de la Universidad de Stanford, El equipo hizo estas observaciones midiendo pequeñas ráfagas de ondas electromagnéticas emitidas por los electrones en movimiento, un fenómeno descrito hace más de un siglo por las ecuaciones de Maxwell. pero solo ahora se aplica a esta importante medida.

"Para hacer algo útil, Por lo general, es necesario juntar diferentes materiales y transferir carga, calor o luz entre ellos. "dijo Eric Yue Ma, investigador postdoctoral en el laboratorio del profesor de SLAC / Stanford Tony Heinz y autor principal de un informe en Avances de la ciencia .

"Esto abre una nueva forma de medir la carga, en este caso, electrones y agujeros:viaja a través de la interfaz abrupta entre dos materiales, ", dijo." No solo se aplica a materiales en capas. Por ejemplo, También se puede utilizar para observar los electrones que fluyen entre una superficie sólida y las moléculas que están unidas a ella. o incluso, en principio, entre un líquido y un sólido ".

Demasiado corto, demasiado rápido, ¿o no?

Los materiales utilizados en este experimento son dicalcogenuros de metales de transición, o TMDC:una clase emergente de materiales semiconductores que consta de capas de solo unos pocos átomos de espesor. Ha habido una explosión de interés en los TMDC en los últimos años a medida que los científicos exploran sus propiedades fundamentales y usos potenciales en nanoelectrónica y fotónica.

Cuando dos tipos de TMDC se apilan en capas alternas, los electrones pueden fluir de una capa a la siguiente de una manera controlable que a la gente le gustaría aprovechar para diversas aplicaciones.

Pero hasta ahora investigadores que querían observar y estudiar ese flujo solo habían podido hacerlo indirectamente, sondeando el material antes y después de que los electrones se hayan movido. Las distancias involucradas eran demasiado cortas, y el electrón acelera demasiado rápido, para que los instrumentos actuales capten el flujo de carga directamente.

Al menos eso es lo que pensaban.

Maxwell lidera el camino

Según un famoso conjunto de ecuaciones que lleva el nombre del físico James Clerk Maxwell, los pulsos de corriente emiten ondas electromagnéticas, que puede variar desde ondas de radio y microondas hasta luz visible y rayos X. En este caso, el equipo se dio cuenta de que el viaje de un electrón de una capa de TMDC a otra debería generar señales de ondas de terahercios, que caen entre las microondas y la luz infrarroja en el espectro electromagnético, y que esas señales podrían detectarse con las herramientas de última generación.

"La gente probablemente había pensado en esto antes, pero descartaron la idea porque pensaron que no había forma de medir la corriente de los electrones que viajan una distancia tan pequeña en una cantidad tan pequeña de material, "Ma dijo." Pero si haces un cálculo de reverso del sobre, ves que si una corriente es realmente tan rápida deberías poder medir la luz emitida, así que lo intentamos ".

Empujes de un láser

Los investigadores, todos los investigadores del Instituto Stanford de Ciencias de los Materiales y la Energía (SIMES) en SLAC, probaron su idea en un material TMDC hecho de disulfuro de molibdeno y disulfuro de tungsteno.

Trabajando con el profesor de SLAC / Stanford Aaron Lindenberg, Ma y su compañero de posdoctorado Burak Guzelturk golpearon el material con pulsos ultracortos de luz láser óptica para hacer que los electrones se movieran y registraron las ondas de terahercios que emitían con una técnica llamada espectroscopia de emisión de terahercios en el dominio del tiempo. Esas mediciones no solo revelaron qué tan lejos y rápido viajaba la corriente eléctrica entre capas, Ma dijo, sino también la dirección en la que viajó. Cuando los mismos dos materiales se apilaron en orden inverso, la corriente fluyó exactamente de la misma manera pero en la dirección opuesta.

"Con la demostración de esta nueva técnica, Ahora se pueden abordar muchos problemas interesantes, "dijo Heinz, quien dirigió la investigación del equipo. "Por ejemplo, Se sabe que la rotación de una de las dos capas de cristal con respecto a la otra cambia drásticamente las propiedades electrónicas y ópticas de las capas combinadas. Este método nos permitirá seguir directamente el movimiento rápido de los electrones de una capa a la otra y ver cómo este movimiento se ve afectado por el posicionamiento relativo de los átomos ".