Como ondas en un estanque, los electrones viajan como ondas a través de materiales, y cuando chocan e interactúan, pueden dar lugar a patrones nuevos e interesantes.

Los científicos del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) han visto surgir un nuevo tipo de patrón de onda en una película delgada de óxido metálico conocida como titania cuando su forma es confinada. Confinamiento, el acto de restringir materiales dentro de un límite, puede alterar las propiedades de un material y el movimiento de moléculas a través de él.

En el caso de titania, Hizo que los electrones interfirieran entre sí en un patrón único, que aumentó la conductividad del óxido, o el grado en que conduce la electricidad. Todo esto sucedió en la mesoescala, una escala en la que los científicos pueden ver tanto los efectos cuánticos como el movimiento de electrones y moléculas.

Este trabajo ofrece a los científicos más información sobre cómo los átomos, los electrones y otras partículas se comportan a nivel cuántico. Dicha información podría ayudar a diseñar nuevos materiales que puedan procesar información y ser útiles en otras aplicaciones electrónicas.

"Lo que realmente distingue a este trabajo fue el tamaño de la escala que investigamos, "dijo el autor principal Frank Barrows, estudiante de posgrado de la Northwestern University en la División de Ciencia de Materiales (MSD) de Argonne. "Investigar a esta escala de longitud única nos permitió ver fenómenos realmente interesantes que indican que hay interferencia a nivel cuántico, y al mismo tiempo obtener nueva información sobre cómo interactúan los electrones y los iones ".

Alterar la geometría para cambiar las propiedades del material

Normalmente, cuando se aplica una corriente eléctrica a un óxido como la titania, los electrones fluyen a través del material en una forma de onda simple. Al mismo tiempo, Los iones, o partículas cargadas, también se mueven. Estos procesos dan lugar a las propiedades de transporte electrónico del material, como conductividad y resistencia, que se explotan en el diseño de la electrónica de próxima generación.

"Lo que hicimos en nuestro estudio fue tratar de comprender cómo podemos cambiar las propiedades del material al limitar la geometría o la forma de la película, "dijo el coautor Charudatta Phatak, científico de materiales y líder de grupo en el MSD de Argonne.

Para comenzar, los investigadores crearon películas de titania, luego diseñó un patrón en ellos. En el patrón había agujeros que estaban separados por tan solo 10 a 20 nanómetros. Agregar el patrón geométrico alteró el movimiento de los electrones de la misma manera que arrojar rocas a un cuerpo de agua altera las ondas que lo atraviesan. En el caso de titania, el patrón hizo que las ondas de electrones interfirieran entre sí, lo que llevó al óxido a conducir más electricidad.

"El patrón de interferencia básicamente mantuvo en su lugar el oxígeno o los iones que normalmente se moverían en materiales como la titania. Y descubrimos que mantenerlos en su lugar era importante o necesario para obtener una interferencia constructiva de esas ondas, "Dijo Phatak.

Los investigadores investigaron la conductividad y otras propiedades utilizando dos técnicas:holografía electrónica y espectroscopia de pérdida de energía electrónica. Con ese fin, aprovecharon los recursos del Centro de materiales a nanoescala de Argonne (CNM), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE, para fabricar sus muestras y realizar algunas de las medidas.

"No hubiéramos podido ver este patrón único de interferencia si no hubiéramos podido producir suficientes de estos agujeros en un patrón, que es muy difícil de hacer, ", dijo Barrows." La experiencia y los recursos en el CNM y la División de Ciencia de Materiales de Argonne resultaron fundamentales para ayudarnos a observar este comportamiento emergente ".

Aplicaciones futuras

En el futuro, si los investigadores pueden comprender mejor qué dio lugar al aumento de la conductividad, potencialmente podrían encontrar formas de controlar las propiedades eléctricas u ópticas y aprovechar esta información para el procesamiento de información cuántica. Los conocimientos también podrían usarse para ampliar nuestra comprensión de los materiales que pueden cambiar la resistencia. La resistencia mide cuánto resiste un material al flujo de electrones en una corriente eléctrica.

"Los materiales de conmutación de resistencia son de interés porque pueden ser portadores de información:un estado de resistencia puede ser 0 y el otro puede ser 1, ", dijo Phatak." Lo que hemos hecho puede darnos un poco más de información sobre cómo podemos controlar estas propiedades mediante el uso de confinamientos geométricos ".