Todos los elementos están ahí para empezar, por así decirlo; es solo una cuestión de averiguar de lo que son capaces, solos o juntos. Para el laboratorio de Leslie Schoop, Una investigación reciente de este tipo ha descubierto un compuesto en capas con un trío de propiedades que no se sabía que existieran previamente en un material.

Con un equipo interdisciplinario internacional, Schoop, profesor asistente de química, e investigador asociado postdoctoral Shiming Lei, publicó un artículo la semana pasada en Avances de la ciencia informando que el material de van der Waals, tritelurida de gadolinio (GdTe3) muestra la mayor movilidad electrónica entre todos los materiales magnéticos en capas conocidos. Además, tiene orden magnético, y se puede exfoliar fácilmente.

Conjunto, estas propiedades lo convierten en un candidato prometedor para nuevas áreas como dispositivos twistronic magnéticos y espintrónica, así como avances en el almacenamiento de datos y el diseño de dispositivos.

El equipo de Schoop descubrió inicialmente estas características únicas a principios de 2018, poco después de comenzar el proyecto. Su primer éxito fue demostrar que GdTe3 se puede exfoliar fácilmente hasta obtener escamas ultrafinas por debajo de 10 nm. Después, el equipo pasó dos años refinando la pureza de los cristales del material a un estado que solo sirvió para amplificar los resultados. El laboratorio ya ha enviado una serie de muestras a los investigadores ansiosos por explorar cómo el compuesto encaja en una categoría que anteriormente solo ocupaba el fósforo negro y el grafito. La alta movilidad es rara en materiales estratificados.

Las propiedades detalladas en el estudio, descritos como oscilaciones cuánticas o "ondulaciones" que se pueden medir, son tan pronunciados que se observaron sin las sondas y el equipo especiales que se encuentran generalmente en los laboratorios nacionales.

"Generalmente, si ves estas oscilaciones, depende en parte de la calidad de su muestra. Realmente nos sentamos e hicimos los mejores cristales posibles. En el transcurso de dos años mejoramos la calidad, de modo que estas oscilaciones se volvieron cada vez más dramáticas, ", dijo Schoop." Pero las primeras muestras ya las mostraban, aunque con los primeros cristales que crecimos no sabíamos exactamente lo que estábamos haciendo, "Dijo Schoop.

"Fue muy emocionante para nosotros. Vimos estos resultados de electrones altamente móviles en este material que no esperábamos. Por supuesto, esperábamos buenos resultados. Pero no anticipé que fuera tan dramático, ", Agregó Schoop.

Lei caracterizó la noticia como un "gran avance" en gran parte debido a la gran movilidad. "Agregar este material al zoológico de materiales 2-D van der Waals es como agregar un ingrediente recién descubierto para cocinar, que permite nuevos sabores y platos, " él dijo.

"Así que primero, saca estos materiales. Lo siguiente es identificar el potencial:¿cuál es la función del dispositivo que puedes hacer a partir de él? ¿Cuál es el rendimiento que podemos mejorar aún más como una próxima generación de materiales en esta línea? "

Una tritelurida de tierras raras, GdTe3 tiene una movilidad de portadora superior a 60, 000 cm2V-1s-1. Esto significa que si se aplica un campo de un voltio por cm al material, los electrones se mueven con una rapidez neta de 60, 000 cm por segundo. Comparar, Las movilidades en otros materiales magnéticos suelen ser de unos pocos cientos de cm2V-1s-1.

"La alta movilidad es importante porque esto significa que los electrones dentro de los materiales pueden viajar a altas velocidades con una dispersión mínima, reduciendo así la disipación de calor de cualquier dispositivo electrónico construido a partir de él, "dijo Lei.

Los materiales de Van der Waals, en los que las capas están unidas por una fuerza débil, son los compuestos originales de los materiales bidimensionales. Los investigadores los están estudiando para la fabricación de dispositivos de próxima generación y también para su uso en twistronics, descrito por primera vez en la comunidad científica hace solo unos años. Con twistronics, las capas de materiales 2-D están desalineadas o torcidas al colocarse una encima de la otra. La desalineación juiciosa de la celosía de cristal puede cambiar eléctricos, propiedades ópticas y mecánicas de formas que pueden generar nuevas oportunidades para las aplicaciones.

Además, Hace unos 15 años se descubrió que los materiales de van der Waals podían exfoliarse hasta la capa más delgada usando algo tan común como cinta adhesiva. Esta revelación provocó muchos nuevos desarrollos en física. Finalmente, Recientemente se reveló que los materiales 2-D exhiben un orden magnético, en el que los espines de los electrones se alinean entre sí. Todos los dispositivos "delgados":discos duros, por ejemplo, se basan en materiales que se ordenan magnéticamente de diferentes maneras que producen diferentes eficiencias.

"Hemos encontrado este material donde los electrones se disparan como en una carretera:perfecto, muy facilmente, rápido, ", dijo Schoop." Tener este orden magnético además y el potencial de ir a dos dimensiones es algo que era excepcionalmente nuevo para este material ".

Los resultados del estudio son una demostración sólida para el joven laboratorio de Schoop, establecida hace poco más de dos años. Son el producto de una colaboración con el Princeton Center for Complex Materials, un Centro de Ciencia e Ingeniería de Investigación de Materiales financiado por la NSF, y los coautores Nai Phuan Ong, Sanfeng Wu, y Ali Yazdani, toda la facultad con el Departamento de Física de Princeton.

Para comprender completamente las propiedades electrónicas y magnéticas de GdTe3, el equipo también colaboró ​​con Boston College para las pruebas de exfoliación, y el Laboratorio Nacional Argonne y el Instituto Max Planck para la Investigación del Estado Sólido para comprender la estructura electrónica del material que utiliza radiación de sincrotón.

Desde una perspectiva más amplia, Lo que más satisfizo a Schoop del estudio fue la "intuición química" que llevó al equipo a comenzar la investigación con GdTe3 en primer lugar. Sospechaban que habría resultados prometedores. Pero el hecho de que GdTe3 los haya cedido tan rápida y enfáticamente es una señal, dijo Schoop, que la química tiene contribuciones significativas que hacer al campo de la física del estado sólido.

"Somos un grupo en el departamento de química y descubrimos que este material debería ser de interés para electrones altamente móviles basados ​​en principios químicos". ", dijo Schoop." Estábamos pensando en cómo estaban dispuestos los átomos en estos cristales y cómo deberían unirse entre sí, y no basado en medios físicos, que a menudo comprende la energía de los electrones basándose en los hamiltonianos.

"Pero adoptamos un enfoque muy diferente, mucho más relacionado con el dibujo, como hacen los químicos, relacionado con los orbitales y cosas así, ", dijo." Y tuvimos éxito con este enfoque. Es un enfoque único y diferente al pensar en materiales emocionantes ".