El telururo de germanio es un fuerte candidato para su uso en dispositivos espintrónicos funcionales debido a su efecto Rashba gigante. Ahora, los científicos de HZB han descubierto otro fenómeno intrigante en GeTe al estudiar la respuesta electrónica a la excitación térmica de las muestras. Para su sorpresa, la relajación posterior procedió de manera fundamentalmente diferente a la de los semimetales convencionales. Al controlar delicadamente los detalles finos de la estructura electrónica subyacente, se podrían concebir nuevas funcionalidades de esta clase de materiales. Han informado sobre sus resultados en Advanced Materials .

En las últimas décadas, la complejidad y la funcionalidad de las tecnologías basadas en silicio han aumentado exponencialmente, en consonancia con la demanda cada vez mayor de dispositivos más pequeños y con mayor capacidad. Sin embargo, la era del silicio está llegando a su fin. Con el aumento de la miniaturización, los efectos cuánticos indeseables y las pérdidas térmicas se están convirtiendo en un obstáculo cada vez mayor. Un mayor progreso requiere nuevos materiales que aprovechen los efectos cuánticos en lugar de evitarlos. Los dispositivos espintrónicos, que utilizan giros de electrones en lugar de su carga, prometen dispositivos más eficientes energéticamente con tiempos de conmutación significativamente mejorados y funcionalidades completamente nuevas.

Llegan los dispositivos espintrónicos

Los candidatos para dispositivos espintrónicos son materiales semiconductores en los que los espines están acoplados con el movimiento orbital de los electrones. Este llamado efecto Rashba se produce en varios semiconductores no magnéticos y compuestos semimetálicos y permite, entre otras cosas, manipular los espines del material mediante un campo eléctrico.

Primer estudio en estado de no equilibrio

El telururo de germanio alberga uno de los mayores efectos Rashba de todos los sistemas semiconductores. Sin embargo, hasta ahora, el telururo de germanio solo se ha estudiado en equilibrio térmico. Ahora, por primera vez, un equipo dirigido por el físico de HZB Jaime-Sanchez-Barriga ha accedido específicamente a un estado de no equilibrio en muestras de GeTe en BESSY II e investigó en detalle cómo se restaura el equilibrio en el material ultrarrápido (<10 ^-12 segundos) escalas de tiempo. En el proceso, los físicos encontraron un fenómeno nuevo e inesperado.

Primero, la muestra se excitó con un pulso infrarrojo y luego se midió con alta resolución de tiempo utilizando espectroscopía de fotoemisión con resolución angular (tr-ARPES). “Por primera vez pudimos observar y caracterizar todas las fases de excitación, termalización y relajación en escalas de tiempo ultracortas”, dice Sánchez-Barriga. El resultado más importante:"Los datos muestran que el equilibrio térmico entre el sistema de electrones y la red cristalina se restablece de una manera muy poco convencional y contraria a la intuición", explica uno de los autores principales, Oliver Clark.

Recuperación del equilibrio:cuanto más frío, más rápido

En los sistemas metálicos simples, el equilibrio térmico se establece principalmente a través de la interacción entre los electrones entre sí y entre los electrones y las vibraciones de la red en el cristal (fonones). Este proceso se ralentiza constantemente con temperaturas más bajas. Sin embargo, en el telururo de germanio, los investigadores observaron un comportamiento opuesto:cuanto más baja es la temperatura de la red de la muestra, más rápido se establece el equilibrio térmico después de la excitación con el pulso de calor. "Eso fue muy sorprendente", dice Sánchez-Barriga.

Con cálculos teóricos en el marco del enfoque de Boltzmann realizados por colaboradores de la Universidad Tecnológica de Nanyang, pudieron interpretar los procesos microscópicos subyacentes y distinguir tres procesos de termalización diferentes:interacciones entre electrones dentro de la misma banda, en diferentes bandas y electrones con fonones .

Parece que la interacción entre los electrones domina la dinámica y se vuelve mucho más rápida al disminuir la temperatura de la red. "Esto puede explicarse por la influencia de la división de Rashba en la fuerza de las interacciones electrónicas fundamentales. Este comportamiento es aplicable a todos los semiconductores de Rashba", dice Sánchez-Barriga:"Los resultados actuales son importantes para futuras aplicaciones de los semiconductores de Rashba y su excitaciones en espintrónica ultrarrápida". + Explora más

Se revelan las propiedades ocultas del telururo de germanio a nanoescala