¿Qué podríamos hacer con estructuras en capas con las capas adecuadas? ¿Cuáles serían las propiedades de los materiales si realmente pudiéramos disponer los átomos de la manera que los queremos?

El curioso físico estadounidense Richard Feynman hizo estas preguntas en su histórica conferencia de 1959:Hay mucho espacio en la parte inferior. Estaba lleno de ideas profundas sobre "manipular y controlar cosas a escala atómica", utilizando la mecánica cuántica.

Inverosímil en ese momento, ahora, la manipulación de capas de átomos es un área de investigación importante. Para realizar la visión de Feynman, Los investigadores de IBM y Bell Labs en los EE. UU. tuvieron que idear un nuevo enfoque para construir materiales capa por capa:epitaxia de haz molecular o MBE.

Esto se puede comparar con la pintura en aerosol con átomos. Empiece vaporizando materiales de origen ultrapuros como el galio, aluminio o indio, y combinarlos con arsénico o fósforo. Los átomos vaporizados vuelan a través de una cámara de vacío hacia una capa base hecha de materiales similares. Los átomos se adhieren a él y lentamente forman un cristal, una capa atómica a la vez. El vacío ultra alto garantiza que las impurezas sean mínimas.

Arquitectos atómicos

Si bien el proceso es relativamente lento, generalmente solo unas pocas capas atómicas por minuto, la precisión es notable. Permite a los técnicos apilar diferentes materiales semiconductores uno encima del otro para crear cristales conocidos como heteroestructuras. que puede tener propiedades extremadamente útiles. Al apilar alternativamente capas de arseniuro de aluminio y arseniuro de galio, por ejemplo, podría producir un material que sea extremadamente bueno para almacenar electricidad.

Una vez que esta técnica se perfeccionó en las décadas de 1990 y 2000, los científicos pudieron controlar la cantidad de electrones y sus energías en un cristal en particular. Y dado que la luz interactúa con estos electrones, tener más control sobre el comportamiento de los electrones significa que también obtiene un mayor control de cómo son estimulados por la luz.

Las heteroestructuras han dado lugar a muchos descubrimientos nuevos, particularmente con respecto al comportamiento cuántico de partículas como los electrones dentro de ellas. Los Premios Nobel de Física se han concedido en cinco ocasiones distintas (1973, 1985, 1998, 2000, y 2014), y los materiales resultantes han revolucionado la civilización.

Las heteroestructuras de semiconductores permiten células solares, LEDs, láseres y transistores ultrarrápidos. Incluso Internet sería imposible de otra manera:los láseres que envían los pulsos de luz que codifican los bits de información en línea están hechos de heteroestructuras, al igual que los fotodetectores que miden estos pulsos de luz y decodifican la información.

Hay restricciones, sin embargo. El tamaño atómico, El espaciado y la disposición de estas heteroestructuras no pueden ser demasiado diferentes entre capas sin que surjan defectos. Esto limita las posibles combinaciones de materiales y la posibilidad de diseñar libremente las propiedades electrónicas y ópticas.

También, Los cristales, naturalmente, están formados por átomos que forman enlaces en las tres direcciones. Esto significa que siempre hay átomos insatisfechos con enlaces "colgantes" en los bordes. Las impurezas extrañas buscan estos enlaces y crean defectos que pueden destruir otras propiedades. Esto se vuelve especialmente importante con cristales más pequeños, impidiendo que se integren en toda su extensión en los transistores modernos, láseres y así sucesivamente.

Ingrese cristales 2-D

Lo último en láminas de materiales ultrafinas es una capa única de átomos. Afortunadamente, la naturaleza ideó tales "cristales bidimensionales". El más famoso es el grafeno, que son solo átomos de carbono dispuestos en un patrón hexagonal.

El grafeno es más fuerte que el acero y conduce mejor la electricidad que el cobre. Tiene muchos componentes electrónicos únicos y a veces exóticos, propiedades ópticas y mecánicas, reconocidas por el Premio Nobel de Física por su descubrimiento en 2010.

En un cristal de grafeno perfecto, todos los átomos están completamente unidos entre sí y no hay enlaces colgantes. Es famosa la posibilidad de producir grafeno despegando capas de grafito con cinta adhesiva:el grafito son en realidad muchas capas de grafeno, todas unidas por las fuerzas de Van der Waals, que son mucho más débiles que los enlaces en cada hoja constituyente de grafeno.

Además del grafeno, hay muchos otros cristales 2-D, cada uno con propiedades únicas. Varios ocurren naturalmente como gemas en el suelo, como el bisulfuro de molibdeno, un importante lubricante industrial. Otros pueden producirse por epitaxia de haz molecular, como el aislante de nitruro de boro, y cristales de la misma familia de dicalcogenuros de metales de transición que el disulfuro de molibdeno.

Como el grafeno es el grafito, los científicos "pelan" (o exfolian) hojas 2-D individuales de grandes cantidades de estos compuestos. La delgadez inherente de estas láminas significa que pueden comportarse de manera bastante diferente a las heteroestructuras descritas anteriormente. Diferentes materiales atómicamente delgados pueden ser aislantes, semiconductor, metálico, magnéticos o incluso superconductores.

Los científicos también pueden elegir, colocar y combinar estos materiales a voluntad para formar nuevas heteroestructuras, conocidas como heteroestructuras de Van der Waals, con propiedades diferentes a las hojas 2-D. Crucialmente, estos no tienen las mismas limitaciones que sus primos hechos por epitaxia de haz molecular. Pueden comprender capas de cristales atómicos muy diferentes, permitiendo posibilidades sin precedentes e ilimitadas para combinar diferentes materiales.

Por ejemplo, puede combinar capas magnéticas con semiconductores y aislantes sin atraer contaminantes como humedad u óxidos entre capas, imposible con heteroestructuras epitaxiales. Esto se puede utilizar para crear dispositivos que controlen el magnetismo utilizando electricidad, que es la base de la memoria magnética en los discos duros.

También puede apilar dos capas atómicas idénticas con una girada en ángulo. Esto crea una celosía llamada patrón muaré, lo que proporciona un nuevo grado de libertad para diseñar las propiedades electrónicas y ópticas. Las imágenes que estamos usando para demostrar esto en la actual Exposición de Verano de la Royal Society en Londres dan una idea de cómo funciona esto:

Si bien las heteroestructuras de Van der Waals todavía están en su infancia, ya están surgiendo nuevas e impresionantes físicas y capacidades. Estos incluyen más pequeños, encendedor, Versiones más flexibles y eficientes de células solares. LEDs, transistores y memoria magnética.

En el futuro, podemos esperar sorpresas nunca antes soñadas. Un ejemplo temprano es el descubrimiento reciente de que cuando se retuercen dos capas de grafeno en un "ángulo mágico" entre sí, los electrones se vuelven superconductores. Este avance aún no se ha entendido claramente, podría desvelar misterios de hace 30 años sobre cómo los electrones pueden navegar por los superconductores sin perder energía. Podría permitirnos utilizar superconductores a temperatura ambiente, con beneficios potenciales para todo, desde imágenes médicas y computadoras cuánticas hasta la transmisión de electricidad a largas distancias.

No es fácil predecir los resultados tecnológicos, sin embargo. Como Herbert Kroemer, quien compartió el Premio Nobel en 2000 por desarrollar heteroestructuras de semiconductores utilizadas en alta velocidad y optoelectrónica, a menudo decía:"Las principales aplicaciones de cualquier tecnología suficientemente nueva e innovadora siempre han sido y seguirán siendo aplicaciones creadas por esa tecnología".

Este artículo se publicó originalmente en The Conversation. Lea el artículo original.