Se necesitó un proyecto de construcción a nanoescala a la par con los mucho más grandes que salpican las carreteras de Nebraska, pero el físico Xia Hong ahora está dirigiendo el tráfico fortuito de electrones lo suficientemente bien como para analizarlo y, por el camino, póngalo en uso en tecnología de próxima generación.

Hong y sus colegas de la Universidad de Nebraska-Lincoln han dedicado los últimos años a estudiar lo que sucede, y lo que se puede lograr, al depositar materiales nanoscópicamente delgados unos sobre otros. Ella ha estado ocupada superando capas atómicas de semiconductores, que conducen la electricidad mejor que los aislantes pero no tan bien como los metales, con ferroeléctricos, cuya alineación de cargas positivas y negativas, o polarización, se pueden cambiar instantáneamente aplicándoles un campo eléctrico.

Usando el enfoque, Hong ya ha inducido todo tipo de interesantes, tecnológicamente atractivo y, tal vez lo mejor de todo, Fenómenos reconfigurables en los semiconductores subyacentes. En un nuevo estudio, su equipo colocó un polímero ferroeléctrico encima de un semiconductor conocido como disulfuro de renio. Investigaciones anteriores habían sugerido que el disulfuro de renio cuenta con una propiedad preciada:la capacidad de transportar electrones, o conducir electricidad, mucho más fácilmente en algunas direcciones que en otras. Esa cualidad conocido como anisotropía, proporciona a los ingenieros eléctricos un control mucho mayor y necesario sobre el flujo de corriente eléctrica.

Pero en realidad midiendo, investigar y manipular el fenómeno había resultado difícil, en parte debido al hecho de que los electrones que atraviesan incluso la porción más delgada de disulfuro de renio pueden deslizarse o desgarrarse entre sí.

¿La solución de Hong? Bloquee la polarización del polímero superpuesto y transforme eficazmente el semiconductor subyacente en un aislante que resistió el flujo de electricidad. Luego, invierte la polarización del polímero, pero solo en una cinta de 300 nanómetros de ancho que divide en dos el material ferroeléctrico suprayacente. El resultado:una fina nanoalambre conductor en la capa aislante de disulfuro de renio debajo de él. O, como lo describió Hong, una carretera solitaria para los electrones en medio de un desierto intransitable.

Con el tráfico de electrones confinado a ese camino, Hong y sus colegas de Husker estaban listos para estudiar su flujo con niveles de precisión sin precedentes. Cuando lo hicieron descubrieron que la conductividad del disulfuro de renio depende, en un grado extraordinario, en la orientación del camino en sí.

Si ese camino es casi paralelo con un eje definido por la disposición de los átomos en el material, conduce la electricidad casi tan bien como un metal. Si la ruta es perpendicular a ese eje, aunque, la conductividad cae precipitadamente. De hecho, la diferencia de conductividad dependiente del ángulo, su anisotropía, es de aproximadamente 5, 000 veces más grande que cualquier reportado en 2D, configuración ferroeléctrica controlada hasta la fecha.

"Así que usamos esta técnica muy especial para confirmar, por primera vez, que la anisotropía es enorme, "dijo Hong, profesor asociado de física y astronomía en Nebraska.

Asombrosamente, Hong dijo:la anisotropía fue mayor cuando se midió en disulfuro de renio que tenía cuatro capas atómicas de espesor. También fue en la versión de cuatro capas donde las mediciones de su equipo se alinearon más estrechamente con las predicciones teóricas aportadas por Evgeny Tsymbal. Catedrático de física y astronomía de la Universidad George Holmes.

¿Parte de la razón? Agregar algunas capas restó algo de complejidad, Dijo Hong. Múltiples factores pueden influir en la anisotropía en el disulfuro de renio de una sola capa. Pero la diferencia de conductividad extrema en la versión de cuatro capas se puede predecir solo por su llamada estructura de banda:cuántos electrones pueden poblar un nivel de energía que les permite comenzar a migrar y, al hacerlo, Conducir corriente eléctrica. Esa banda de energía se aplana en ciertas direcciones a medida que se agregan capas, los investigadores concluyeron, produciendo más atascos de tráfico entre los electrones y aumentando las diferencias direccionales en la conductividad.

"La mayoría de la gente tiende a centrarse en una monocapa, ", Dijo Hong." Pero encontramos, actualmente, que es el material de pocas capas lo que es más interesante ".

Hong dijo que el conocimiento, y la magnitud del efecto en sí, podría hacer que el disulfuro de renio sea especialmente útil para fabricar lentes que enfocan electrones de la misma manera que las lentes ópticas hacen los rayos de luz. Las lentes de electrones ayudan a producir imágenes de extraordinaria alta resolución de objetos nanoscópicos que no se pueden resolver con luz.

"Este material tiene, intrínsecamente, una capacidad para hacer que los electrones solo se muevan de manera efectiva en una dirección, ", Dijo Hong." Así que podemos usar esto como un bloque de construcción para esos lentes ".

Su anisotropía, combinado con otras propiedades inherentes a la composición atómica del disulfuro de renio, también podría posicionar el material como un campo de juego fructífero para generar y controlar una gama de fenómenos mucho más amplia de lo que la mayoría de los materiales pueden afirmar, Dijo Hong.

"Creo que esto es un material, " ella dijo, "en el que podría albergar magnetismo o superconductividad, por ejemplo.

"Creemos que este es un punto de partida. Por eso, queremos utilizarlo como material de acogida y, probablemente con alguna manipulación, aprender a activar y desactivar estos fenómenos ".

Los investigadores informaron sus hallazgos en la revista. Cartas de revisión física .