El descubrimiento de un efecto físico sin precedentes en un nuevo material artificial marca un hito significativo en el largo proceso de desarrollo de materiales "hechos por encargo" y de componentes electrónicos más eficientes desde el punto de vista energético.

La electrónica actual basada en silicio consume una parte sustancial y cada vez mayor de la energía mundial. Varios investigadores están explorando las propiedades de materiales que son más complejos que el silicio pero que se muestran prometedores para los dispositivos electrónicos del mañana, y que consumen menos electricidad. De acuerdo con este enfoque, científicos de la Universidad de Ginebra (UNIGE) han estado trabajando en colaboración con el Instituto Federal Suizo de Tecnología en Lausana (EPFL), la Universidad de Zurich, el Flatiron Institute de Nueva York y la Universidad de Lieja. Los científicos han descubierto un fenómeno físico hasta ahora desconocido en un material artificial formado por capas muy delgadas de niquelatos. Esto podría aprovecharse para controlar con precisión algunas de las propiedades electrónicas del material, como la transición repentina de un estado conductor a un estado aislante. También podría utilizarse para desarrollar nuevos dispositivos más eficientes energéticamente. Puedes leer sobre este avance tecnológico en la revista Materiales de la naturaleza .

"Los nicquelatos son conocidos por una característica especial:cambian repentinamente de un estado aislante al de un conductor eléctrico cuando su temperatura se eleva por encima de un cierto umbral, "comienza Jean-Marc Triscone, profesor del Departamento de Física de la Materia Cuántica de la Facultad de Ciencias de la UNIGE. "Esta temperatura de transición varía según la composición del material".

Los niquelatos se forman a partir de un óxido de níquel con la adición de un átomo que pertenece a los elementos denominados "tierras raras" (es decir, un conjunto de 17 elementos de la tabla periódica). Cuando esta tierra rara es samario (Sm), por ejemplo, el salto del aislante metálico se produce a unos 130 ° C, mientras que si es neodimio (Nd), el umbral desciende a -73 ° C. Esta diferencia se explica por el hecho de que cuando Sm se reemplaza por Nd, La estructura cristalina del compuesto se deforma, y ​​es esta deformación la que controla el valor de la temperatura de transición.

En su intento por aprender más sobre estos materiales, los científicos con sede en Ginebra estudiaron muestras compuestas por capas repetidas de niquelato de samario depositadas sobre capas de niquelato de neodimio, una especie de "super sándwich" donde todos los átomos están perfectamente dispuestos.

Comportarse como un solo material

Claribel Domínguez, investigador del Departamento de Física de la Materia Cuántica y primer autor del artículo, explica:"Cuando las capas son bastante gruesas, se comportan de forma independiente, cada uno manteniendo su propia temperatura de transición. Por extraño que parezca, cuando refinamos las capas hasta que cada una no tuviera más de ocho átomos, toda la muestra comenzó a comportarse como un solo material, con sólo un gran salto en la conductividad a una temperatura de transición intermedia ".

Un análisis muy detallado realizado por microscopio electrónico en EPFL, respaldado por sofisticados desarrollos teóricos realizados por colegas estadounidenses y belgas, mostró que la propagación de las deformaciones en la estructura cristalina en las interfaces entre los materiales solo tiene lugar en dos o tres capas atómicas. . Respectivamente, no es esta distorsión la que explica el fenómeno observado. En realidad, es como si las capas más alejadas supieran de alguna manera que están muy cerca de la interfaz pero sin deformarse físicamente.

No es magia

"No tiene nada de mágico, "dice Jennifer Fowlie, investigador del Departamento de Física de la Materia Cuántica y coautor del artículo. "Nuestro estudio muestra que mantener una interfaz entre una región conductora y una región aislante, como es el caso de nuestras muestras, es muy caro en términos de energía. Entonces, cuando las dos capas sean lo suficientemente delgadas, son capaces de adoptar un comportamiento mucho menos intensivo en energía, que consiste en convertirse en un solo material, ya sea totalmente metálico o totalmente aislante, y con una temperatura de transición común. Y todo esto sucede sin que se modifique la estructura cristalina. Este efecto, o acoplamiento, no tiene precedentes ".

Este descubrimiento fue posible gracias al apoyo proporcionado por la Swiss National Science Foundation y la Q-MAC ERC Synergy Grant (Frontiers in Quantum Materials 'Control). Proporciona una nueva forma de controlar las propiedades de las estructuras electrónicas artificiales, cuales, en este caso, es el salto de conductividad obtenido por los investigadores de Ginebra en su compuesto de niquelato, lo que representa un importante paso adelante para el desarrollo de nuevos dispositivos electrónicos. Los niquelatos podrían usarse en aplicaciones como transistores piezoeléctricos (que reaccionan a la presión).

Más generalmente, el trabajo de Ginebra encaja en una estrategia para producir materiales artificiales "por diseño, "es decir, con propiedades que satisfagan una necesidad específica. Esta ruta, que está siendo seguido por muchos investigadores de todo el mundo, es prometedor para la electrónica de bajo consumo en el futuro.