Una imagen de microscopio electrónico de barrido muestra muestras triangulares (rojo) y rectangulares (azul) de un cristal semimetálico conocido como arseniuro de cadmio. La muestra rectangular tiene un grosor de aproximadamente 0,8 micrones (milésimas de milímetro), 3,2 micrones de alto y 5 micrones de largo. La muestra triangular tiene una base que mide aproximadamente 2,7 micrones. El diseño de las muestras triangulares, fabricado en la fundición molecular de Berkeley Lab, resultó útil para trazar el mapa de las extrañas órbitas de electrones exhibidas por este material cuando se expone a un campo magnético. La barra de escala roja en la parte inferior derecha es de 50 micrones. Crédito: Naturaleza , 10.1038 / nature18276
Los investigadores han creado una pista de carreras tridimensional exótica para electrones en rebanadas ultrafinas de un nanomaterial que fabricaron en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Laboratorio de Berkeley).
El equipo internacional de científicos de Berkeley Lab, UC Berkeley, y Alemania observó, por primera vez, un comportamiento único en el que los electrones giran alrededor de una superficie, luego a través de la mayor parte del material hasta su superficie opuesta y viceversa.
La posibilidad de desarrollar la denominada "materia topológica" que pueda transportar corriente eléctrica en su superficie sin pérdida a temperatura ambiente ha atraído un interés significativo en la comunidad investigadora. El objetivo final es abordar la conducción sin pérdidas de otra clase de materiales, conocidos como superconductores, pero sin necesidad de lo extremo, temperaturas de congelación que requieren los superconductores.
"Los microchips pierden tanta energía a través de la disipación de calor que es un factor limitante, "dijo James Analytis, un científico de planta en Berkeley Lab y profesor asistente de física en UC Berkeley que dirigió el estudio, publicado en Naturaleza . "Cuanto más pequeños se vuelven, cuanto más se calientan ".
El material estudiado, un semimetal inorgánico llamado arseniuro de cadmio (Cd3As2), exhibe propiedades cuánticas, que no se explican por las leyes clásicas de la física, que ofrecen un nuevo enfoque para reducir el desperdicio de energía en los microchips. En 2014, Los científicos descubrieron que el arseniuro de cadmio comparte algunas propiedades electrónicas con el grafeno, un material de un solo átomo de espesor también pensado para componentes de computadora de próxima generación, pero en forma tridimensional.
"Lo emocionante de estos fenómenos es que, En teoria, no se ven afectados por la temperatura, y el hecho de que existan en tres dimensiones posiblemente facilite la fabricación de nuevos dispositivos, "Dijo Analytis.
Las muestras de arseniuro de cadmio mostraron una propiedad cuántica conocida como "quiralidad" que acopla la propiedad fundamental de espín de un electrón a su momento. esencialmente dándole rasgos de zurdo o diestro. El experimento proporcionó un primer paso hacia el objetivo de utilizar la quiralidad para transportar carga y energía a través de un material sin pérdidas.
En el experimento, Los investigadores fabricaron y estudiaron cómo viaja la corriente eléctrica en rodajas de un cristal de cadmio arsénico de solo 150 nanómetros de espesor. o aproximadamente 600 veces más pequeño que el ancho de un cabello humano, cuando se somete a un campo magnético alto.
Un solo cristal de arseniuro de cadmio. Cristales individuales de este material, conocido como "semimetal de Dirac, ”Se cortaron para formar rodajas a nanoescala. Las rodajas, cuando se expone a un campo magnético, exhibió un extraño, ruta de los electrones en la rotonda. El material podría ayudar a los científicos a descubrir los secretos de una clase de materiales que podrían usarse en la electrónica de próxima generación. Crédito: Naturaleza , 10.1038 / nature18276
Las muestras de cristal fueron elaboradas en la Fundición Molecular de Berkeley Lab, que se centra en la construcción y el estudio de materiales a nanoescala, y su estructura tridimensional se detalló mediante rayos X en la fuente de luz avanzada de Berkeley Lab.
Quedan muchos misterios sobre las propiedades exóticas del material estudiado, y como siguiente paso, los investigadores están buscando otras técnicas de fabricación para construir un material similar con propiedades magnéticas incorporadas, por lo que no se requiere ningún campo magnético externo.
"Este no es el material adecuado para una aplicación, pero nos dice que estamos en el camino correcto "Dijo Analytis.
Si los investigadores tienen éxito en sus modificaciones, tal material podría posiblemente usarse para construir interconexiones entre múltiples chips de computadora, por ejemplo, para las computadoras de próxima generación que dependen del giro de un electrón para procesar datos (conocido como "espintrónica"), y para la construcción de dispositivos termoeléctricos que conviertan el calor residual en corriente eléctrica.
Al principio, no estaba claro si el equipo de investigación sería capaz de fabricar una muestra lo suficientemente pura a la pequeña escala requerida para llevar a cabo el experimento. Analytis dijo.
"Queríamos medir los estados superficiales de los electrones en el material. Pero este material tridimensional también conduce la electricidad en la mayor parte, es la región central, así como en la superficie, ", dijo. Como resultado, cuando mides la corriente eléctrica, la señal se ve saturada por lo que está sucediendo en la mayor parte, por lo que nunca se ve la contribución de la superficie ".
Así que redujeron la muestra de millonésimas de metro a nanoescala para darles más área de superficie y asegurar que la señal de superficie fuera la dominante en un experimento.
"Decidimos hacer esto dando forma a las muestras en estructuras más pequeñas usando un haz enfocado de partículas cargadas, ", dijo." Pero se sabe que este haz de iones es una forma aproximada de tratar el material; por lo general, es intrínsecamente dañino para las superficies, y pensamos que nunca funcionaría ".
Esta imagen, producido por un microscopio electrónico de barrido, muestra tres láminas de un material cristalino llamado arseniuro de cadmio. Las láminas rectangulares finamente pulidas (violetas) se cortaron del mismo cristal en diferentes espesores. Miden alrededor de 4 micrones (milésimas de milímetro) de alto por 10 micrones de ancho. Crédito: Naturaleza , 10.1038 / nature18276
Pero Philip J.W. Prostituta, ahora en el Instituto Max Planck de Física Química de Sólidos en Alemania, encontró una manera de minimizar este daño y proporcionar superficies finamente pulidas en las pequeñas rebanadas utilizando herramientas en Molecular Foundry. "Cortar algo y al mismo tiempo no dañarlo son opuestos naturales. Nuestro equipo tuvo que llevar la fabricación del haz de iones a sus límites de baja energía y foco de haz estrecho para hacer esto posible".
Cuando los investigadores aplicaron una corriente eléctrica a las muestras, encontraron que los electrones corren en círculos de manera similar a cómo orbitan alrededor del núcleo de un átomo, pero su trayectoria atraviesa tanto la superficie como la mayor parte del material.
El campo magnético aplicado empuja los electrones alrededor de la superficie. Cuando alcanzan la misma energía y momento que los electrones a granel, son arrastrados por la quiralidad de la masa y empujados a la otra superficie, repitiendo este camino curiosamente tortuoso hasta que son esparcidos por defectos materiales.
El experimento representa un matrimonio exitoso de enfoques teóricos con los materiales y técnicas adecuados, Analytis dijo.
"Esto había sido teorizado por Andrew Potter en nuestro equipo y sus compañeros de trabajo, y nuestro experimento marca la primera vez que se observó, "Analytis dijo." Es muy inusual, no hay fenómenos análogos en ningún otro sistema. Las dos superficies del material 'se comunican' entre sí a grandes distancias debido a su naturaleza quiral ".
"Habíamos predicho este comportamiento como una forma de medir las propiedades inusuales esperadas en estos materiales, y fue muy emocionante ver cómo estas ideas cobran vida en sistemas experimentales reales, "dijo Potter, profesor asistente de física en la Universidad de Texas en Austin. "Philip y sus colaboradores hicieron grandes innovaciones para producir muestras extremadamente delgadas y de alta calidad, lo que realmente hizo posibles estas observaciones por primera vez ".
Los investigadores también descubrieron que el desorden en el patrón de la superficie del cristal del material no parece afectar el comportamiento de los electrones allí. aunque el desorden en el material central tiene un impacto en si los electrones se mueven a través del material de una superficie a otra.
El movimiento de los electrones exhibe una doble mano, con algunos electrones viajando alrededor del material en una dirección y otros dando vueltas en una dirección opuesta.
Los investigadores ahora están aprovechando este trabajo para diseñar nuevos materiales para estudios en curso, Analytis dijo. "Estamos utilizando técnicas normalmente restringidas a la industria de los semiconductores para hacer prototipos de dispositivos a partir de materiales cuánticos".
