Mike Lilly observa dos nanocables alimentados individualmente, incrustado uno sobre el otro, en unas pocas capas atómicas de cristal cultivado en Sandia. El dispositivo de prueba único ya ha proporcionado nueva información sobre los flujos eléctricos del nanomundo. (foto de Randy Montoya)
(PhysOrg.com) - En Sandia National Laboratories se han observado aumentos inesperados de voltaje de hasta un 25 por ciento en dos nanocables apenas separados.
Diseñadores de dispositivos de próxima generación que utilizan nanocables para suministrar corrientes eléctricas, incluidos teléfonos, computadoras portátiles, baterías y ciertos paneles solares, es posible que sea necesario tener en cuenta estos incrementos sorpresa.
"La gente ha estado trabajando en nanocables durante 20 años, ”Dice el investigador principal de Sandia, Mike Lilly. "Al principio, estudias dichos cables individualmente o todos juntos, pero eventualmente querrá una forma sistemática de estudiar la integración de nanocables en nanocircuitos. Eso es lo que está sucediendo ahora. Es importante saber cómo interactúan los nanocables entre sí en lugar de con los cables normales ".
Aunque las estructuras de nanocables de galio-arseniuro utilizadas por el equipo de Lilly son frágiles, Los nanocables en general tienen características muy prácticas:pueden agrietarse menos que sus primos más grandes, son más baratos de producir y ofrecen un mejor control electrónico.
Durante años, El mejor método de prueba disponible requería que los investigadores colocaran una pieza cargada de material llamada compuerta entre dos nanocables en un solo estante. La puerta inundado de electrones, actuó como una barrera:mantuvo la integridad, en efecto, de los cables a cada lado del mismo al repeler cualquier electrón que intente escapar a través de él. Pero la separación de cables más pequeña permitida por la puerta fue de 80 nanómetros. Los nanocables de los dispositivos futuros se empaquetarán mucho más estrechamente, por lo que se necesitaba un espacio mucho más pequeño para las pruebas.
El diseño de prueba actual tiene el brillo de la simplicidad. Lo que Lilly y sus compañeros de trabajo de la Universidad McGill en Montreal imaginaron era poner los nanocables uno encima del otro, en lugar de uno al lado del otro, separándolos con unas pocas capas atómicas de extremadamente puro, cristal de cosecha propia. Esto les permitió probar nanocables separados verticalmente por solo 15 nanómetros, aproximadamente la distancia que se espera que requieran los dispositivos de próxima generación. Y debido a que cada cable se encuentra en su propia plataforma independiente, cada uno puede ser alimentado y controlado de forma independiente por entradas eléctricas variadas por los investigadores.
Si bien las aplicaciones para dispositivos técnicos interesan a Lilly, son las características de los nanocables como un problema en la ciencia básica unidimensional (1-D) lo que le fascina.
Un cable 1-D no es lo común, de cintura gruesa Cable doméstico tridimensional, que permite que la corriente se mueva horizontalmente, verticalmente, y adelante; ni es tu menor, alambres 2-D aplanados del tamaño de una micra en dispositivos electrónicos típicos que permiten que los electrones se muevan hacia adelante y hacia atrás, pero no hacia arriba y hacia abajo. En cables 1-D, los electrones solo pueden moverse en una dirección:hacia adelante, como prisioneros que vienen a almorzar, uno detrás del otro.
El asa en forma de maleta son los dos nanocables, uno encima del otro. Las áreas más oscuras son el cristal de arseniuro de galio. Las dos áreas más claras en la forma de los signos "más" son puertas de oro en la parte superior e inferior del dispositivo. (Imagen de microscopio electrónico de barrido de Sandia)
"A la larga, nuestro dispositivo de prueba nos permitirá probar en qué se diferencian los conductores 1-D de los conductores 2-D y 3-D, —Dijo Lilly. “Se espera que sean muy diferentes, pero hay relativamente pocas técnicas experimentales que se han utilizado para estudiar el estado fundamental 1-D ".
Una de las razones de la diferencia es la fuerza de Coulomb, responsable de lo que se denomina el efecto de "arrastre" de Coulomb, independientemente de si la fuerza acelera o retarda las corrientes. Operando entre cables, la fuerza es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia; es decir, en microelectrónica ordinaria, la fuerza es prácticamente imperceptible, pero a nanodistancias, la fuerza es lo suficientemente grande como para que los electrones de un cable puedan "sentir" los electrones individuales moviéndose en otro situado cerca.
El arrastre significa que el primer cable necesita más energía porque la fuerza de Coulomb crea, en efecto, mayor resistencia. "La cantidad es muy pequeña, "Dijo Lilly, "Y no podemos medirlo. Lo que podemos medir es el voltaje del otro cable ".
No hay respuestas sencillas sobre por qué la fuerza de Coulomb crea un arrastre negativo o positivo, pero lo hace. Fue nombrado por el científico del siglo XVIII Charles August Coulomb.
Lo que se sabe es que "se golpean suficientes electrones que proporcionan una fuente positiva en un extremo del cable, negativo en el otro, —Dijo Lilly. Un voltaje se acumula en la dirección opuesta para mantener los electrones en su lugar, ”Aumentando así la resistencia.
El llamado mar de Fermi, un concepto 3-D utilizado para predecir la energía promedio de los electrones en el metal, debería descomponerse por completo en cables 1-D, que en cambio debería formar un líquido Luttinger, Dijo Lilly. Un líquido de Luttinger es un modelo teórico que describe las interacciones de los electrones en un conductor 1-D. Comprender mejor el líquido de Luttinger es el motivo subyacente de Lilly para el experimento. (Enrico Fermi fue un destacado físico teórico del siglo XX que jugó un papel importante en el desarrollo de la bomba atómica. Joaquin Luttinger fue un físico del siglo XX conocido por sus teorías sobre cómo interactúan los electrones en metales unidimensionales).
Tener interés en muchos niveles resultó útil porque hacer el dispositivo de prueba “nos llevó mucho tiempo, ”Dijo. "No es imposible de hacer en otros laboratorios, pero Sandia tiene capacidades de crecimiento cristalino, una instalación de microfabricación y apoyo para la investigación fundamental de la Oficina de Ciencias Energéticas Básicas (BES) del DOE [el Departamento de Energía]. El programa básico de BES está interesado en nuevas ciencias y nuevos descubrimientos, como el trabajo que estamos haciendo para tratar de comprender lo que sucede cuando se trabaja con sistemas muy pequeños ".
La fabricación de dispositivos se llevó a cabo en el marco de un proyecto de usuario en el Centro de Nanotecnologías Integradas, una instalación nacional para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE administrada conjuntamente por los laboratorios nacionales Sandia y Los Alamos. El diseño y la medición del dispositivo se completaron bajo el programa de investigación de la Oficina de Ciencias BES / División de Ciencia de Materiales e Ingeniería del DOE.
El trabajo requirió la experiencia en cultivo de cristales del investigador de Sandia, John Reno, las habilidades de fabricación y medición del estudiante de doctorado de McGill Dominique Laroche y elementos del trabajo previo del investigador de Sandia Jerry Simmons.
