Izquierda:imagen STM que muestra la topografía de Na 3 Muestra bi. Derecha:Densidad de estados que muestra un mínimo en el punto E de Dirac D . Crédito:FLOTA
Un estudio dirigido por Australia utiliza un "truco" de microscopio de túnel de barrido para mapear la estructura electrónica en Na 3 Bi, buscando una respuesta a la extremadamente alta movilidad de electrones de ese material.
Al estudiar el semimetal topológico de Dirac, el equipo descubrió que los efectos de intercambio y correlación son cruciales para la velocidad de los electrones, y por tanto movilidad, y, por tanto, al uso de esta interesante clase de materiales en la futura electrónica de energía ultrabaja.
Hasta la fecha, poco se ha sabido acerca de la dispersión de banda de Na 3 Bi en la banda de conducción (por encima del nivel de Fermi), aunque ha habido indicios tentadores de que la velocidad real de los electrones es mucho mayor que las predicciones teóricas.
"Crecimos películas delgadas de Na 3 Bi e investigó su estructura de banda a través de la interferencia de cuasipartículas, "dice la autora principal, la Dra. Iolanda di Bernardo.
"Nuestros cálculos revelaron que para comprender las velocidades experimentales extremadamente altas de los portadores de carga, particularmente en la banda de conducción, los efectos de intercambio y correlación son cruciales ".
Trucos ingeniosos y sorpresas
Los semimetales topológicos de Dirac se pueden considerar como las contrapartes tridimensionales del grafeno:alrededor del nivel de Fermi (donde los electrones de conducción "generalmente" se sientan) exhiben la misma dispersión de banda lineal que el grafeno, lo que significa que sus electrones prácticamente no tienen masa.
Esta, naturalmente, se traduce en una conductividad extremadamente alta, y en este caso, ocurre en las tres direcciones en el espacio.
Esta dispersión de banda lineal se predijo para Na 3 Bi, pero aún faltaba un mapeo adecuado de la banda de conducción para este material.
Medir la estructura de la banda de materiales por encima del nivel de Fermi es, De hecho, no es una tarea trivial, principalmente porque los electrones no suelen ocupar estos estados.
Una de las pocas formas en que esto se puede lograr es mediante el uso de un truco basado en la espectroscopia de túnel de barrido:
La forma circular de los contornos de energía constante (mapeados en el espacio recíproco) corresponde a las secciones cónicas de un cono de Dirac. Crédito:FLOTA
"Adquirimos 'mapeos' de la corriente de tunelización cuántica entre la punta y la muestra con diferentes sesgos, "explica Iolanda.
Las derivadas de estas asignaciones muestran patrones muy típicos, originada por la dispersión de los electrones con el desorden en la muestra.
Este proceso de dispersión mezcla electrones que están en los mismos contornos de energía constante en el espacio recíproco, que se hace visible tomando una transformada de Fourier de las asignaciones.
"En nuestro caso, esto produjo círculos correspondientes a cortes a lo largo de una dispersión similar a un cono de Dirac "(ver figura).
Esta técnica de análisis permitió al equipo reconstruir la dispersión de la banda (lineal) en el material y extraer las velocidades de los portadores de carga. tanto en la banda de valencia como en la de conducción.
Pero cuando estas dispersiones de banda medidas se compararon con predicciones teóricas, había un problema:las velocidades medidas para las bandas de valencia y conducción más bajas eran significativamente más altas que las predicciones teóricas.
Sin embargo, el equipo encontró una forma de mejorar significativamente la concordancia entre la medición y la teoría:
"Usamos modelos cada vez más complicados para describir nuestro sistema, y descubrió que a medida que mejoramos el tratamiento del intercambio y el potencial de correlación en el modelo (pasando de los métodos PBE a GW), podríamos acercarnos a los valores experimentales, aunque todavía observamos algunas discrepancias, "explica Iolanda.
Si bien el origen de estas interacciones inesperadamente fuertes aún no está claro, El nuevo estudio demuestra que los efectos de correlación de intercambio probablemente se encuentran en la base de la alta velocidad de los electrones en Na 3 Bi.
Comprender las movilidades ultraaltas de los portadores en semimetales topológicos de Dirac es un paso hacia la implementación exitosa de estos materiales en dispositivos para electrónica de baja energía.
El estudio, titulado "Importancia de las interacciones para la estructura de bandas del semimetal topológico de Dirac Na 3 Bi, "se publicó en julio de 2020 en Revisión física B .
