Preparar el sándwich a nanoescala perfecto con ingredientes a base de oxígeno no fue un picnic.

Pero con la ayuda de dos físicos de Nebraska, un equipo internacional de investigadores finalmente lo logró, poniendo fin a una búsqueda de casi 15 años para observar un fenómeno que podría ayudar a impulsar y miniaturizar una futura generación de electrónica.

En 2004, Los investigadores observaron un gas de electrones recorriendo bidimensionalmente a través de un nano-sándwich hecho de óxidos:compuestos químicos que contienen átomos de oxígeno. Esa demostración de un gas de electrones 2-D señaló la promesa de confinar la corriente eléctrica a espacios más pequeños y, Sucesivamente, encogiendo los componentes electrónicos a escalas más pequeñas.

Sin embargo, el electrón cargado negativamente tiene una contraparte:un "agujero" cargado positivamente que deja cuando se expulsa de su órbita alrededor de un átomo. Entonces, los físicos se propusieron crear y observar un gas de agujero 2-D que también actúa como una fuente de corriente eléctrica.

Como se detalla en la revista Materiales de la naturaleza , Investigadores de la Universidad de Wisconsin-Madison y la Universidad de Nebraska-Lincoln lideraron el camino para lograr la hazaña tan buscada. Hacerlo requirió varios años de perfeccionamiento tanto de los ingredientes como de la preparación. Evgeny Tsymbal y Tula Paudel de Nebraska informaron a este último mediante la ejecución de cálculos y modelos basados ​​en la teoría a través del Holland Computing Center de la universidad.

La receta en sí parecía bastante simple. Para producir un gas de electrones 2-D, Los investigadores habían apilado previamente una capa de óxido cargada positivamente sobre una base neutra, encontrando que los electrones cargados negativamente fluían hacia el espacio nanoscópico entre los dos. Al agregar una capa cargada negativamente encima de la rebanada positiva, luego tapando el nano-sándwich con otra capa neutra, Los investigadores esperaban ver agujeros con carga positiva que imitaran ese comportamiento al migrar hacia arriba para formar su propio gas bidimensional.

Ellos resistieron. ¿Por qué? Los átomos de oxígeno estaban abandonando sus puestos, y sus vacantes cargadas positivamente, inútiles para producir una corriente eléctrica, impidieron que los agujeros avanzaran hacia arriba.

"Observamos las diferentes concentraciones de las vacantes de oxígeno, las diferentes posiciones de estos defectos, y cómo cambia el comportamiento (como resultado), "dijo Tsymbal, Catedrático de Física y Astronomía de la Universidad George Holmes.

El equipo descubrió que podía salirse con la suya con unos pocos átomos de oxígeno ausentes siempre que los que estaban en el centro de la acción se mantuvieran firmes.

"El posicionamiento es importante, "dijo Paudel, un profesor asistente de investigación que realizó la mayoría de los cálculos. "Usted no quiere las vacantes de oxígeno cerca de la región donde se supone que debe tener un gas de agujero bidimensional".

Esas ideas combinado con especificaciones precisas para el grosor de cada rebanada en el nano-sándwich, experimentos guiados que tienen lugar en Wisconsin. Construyendo esos cortes átomo por átomo, más fácil con óxidos que con muchas otras clases de materiales, y fabricando el material en forma presurizada, entorno rico en oxígeno que minimiza las vacantes, los investigadores de Wisconsin lograron producir y caracterizar el gas del pozo 2-D.

Por décadas, Los ingenieros han fabricado la mayoría de los componentes electrónicos a partir de materiales semiconductores como el silicio, el caballo de batalla de la industria.

"El problema es que nos estamos acercando a límites fundamentales, "dijo Tsymbal, director del Centro de Ciencia e Ingeniería de Investigación de Materiales de Nebraska. "En algún momento (pronto), nos acercaremos a ciertos límites más allá de los cuales no podemos continuar (siguiendo) la hoja de ruta de los semiconductores de la forma en que lo hicimos antes. Por tanto, necesitamos cambiar conceptualmente la forma en que funcionan nuestros dispositivos ".

Uno de esos límites es el espacio. La carrera por abarrotar más funciones:memoria, por ejemplo, en dispositivos cada vez más pequeños ha dejado a los ingenieros mirando hacia los óxidos y otros materiales que, cuando se combina, puede comprimir la conductividad en los confines más estrechos. El nuevo estudio aprovechó un óxido llamado titanato de estroncio, lo que Tsymbal describió como el "silicio de la electrónica de óxido", para lograr esto.

"La ventaja aquí es que el confinamiento (el espesor de este electrón bidimensional o gas hueco) es mucho menor en comparación con lo que se tiene en los semiconductores, "Tsymbal dijo." En lugar de, por ejemplo, decenas de nanómetros, podemos limitarlo a un nanómetro. Entonces, en principio, podemos hacer que los dispositivos sean mucho más pequeños en comparación con los de la electrónica de semiconductores ".

Aunque el titanato de estroncio y sus hermanos de óxido generalmente no exhiben magnetismo por sí mismos, a veces lo hacen cuando se combinan. Incluso muestran el potencial de superconductividad —corriente eléctrica que fluye sin ninguna resistencia— y otras propiedades atractivas para ingenieros eléctricos e informáticos.

Como teóricos, Tsymbal y Paudel están interesados ​​en los fenómenos que podrían surgir de los gases de huecos y electrones bidimensionales que fluyen en paralelo a través del mismo material. Entre ellos:el emparejamiento de electrones y huecos en excitones en forma de partículas que se comportan de manera diferente como un gran colectivo que como lo hacen solos.

"Los óxidos que cuentan con estos gases 2-D complementarios podrían ahora comenzar a servir como laboratorios nanoscópicos en los que crear y estudiar nueva física, "Dijo Paudel.

Cómo esos fenómenos podrían eventualmente aplicarse sigue siendo una cuestión abierta, Tsymbal dijo:pero vale la pena explorarlo.

"Cuando los investigadores comenzaron a trabajar en semiconductores hace más de 60 años, nadie sabía que llegarían a ser fundamentales para la tecnología moderna, "Tsymbal dijo." En este punto, la electrónica de óxido están al nivel de la investigación fundamental, por lo que es difícil predecir a dónde irán.

"Pero puede controlar las interfaces de óxido con extrema precisión. Una vez que lo tenga, puede hacer algo similar a lo que logran los semiconductores, pero tal vez también algo más ".