Los materiales cuánticos han generado un interés considerable para las aplicaciones informáticas en las últimas décadas, pero las propiedades cuánticas no triviales, como la superconductividad o el espín magnético, permanecen en estados frágiles.
"Al diseñar materiales cuánticos, el juego es siempre una lucha contra el desorden", afirmó Robert Hovden, profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad de Michigan.
El calor es la forma más común de desorden que altera las propiedades cuánticas. Los materiales cuánticos a menudo sólo exhiben fenómenos exóticos a temperaturas muy bajas, cuando el átomo casi deja de vibrar, lo que permite que los electrones circundantes interactúen entre sí y se reorganicen de maneras inesperadas. Esta es la razón por la que actualmente se están desarrollando computadoras cuánticas en baños de helio líquido a -269 °C, o alrededor de -450 F. Eso es sólo unos pocos grados por encima de cero Kelvin (-273,15 °C).
Los materiales también pueden perder propiedades cuánticas cuando se exfolian desde 3D hasta una capa única de átomos 2D, una delgadez de particular interés para el desarrollo de dispositivos a nanoescala.
Ahora, un equipo de investigación dirigido por la Universidad de Michigan ha desarrollado una nueva forma de inducir y estabilizar un fenómeno cuántico exótico llamado onda de densidad de carga a temperatura ambiente. Básicamente, han identificado una nueva clase de materiales 2D. Los resultados se publican en Nature Communications. .
"Esta es la primera observación de una onda de densidad de carga ordenada y en dos dimensiones. Nos sorprendió que no sólo tenga una onda de densidad de carga en dos dimensiones, sino que la onda de densidad de carga esté enormemente mejorada", dijo Hovden. P>
En lugar del enfoque típico de exfoliar y despegar capas atómicas individuales para crear un material 2D, los investigadores cultivaron el material 2D dentro de otra matriz. Llamaron a la nueva clase de materiales "endotaxial", de las raíces griegas "endo", que significa dentro, y "taxis", que significa de manera ordenada.
Los investigadores trabajaron con un cristal metálico, disulfuro de tantalio (TaS2), que, como cualquier cristal, tiene átomos ordenados en un patrón como pelotas de ping pong cuidadosamente dispuestas en todas direcciones. Observaron que a medida que el material crecía, los electrones de la capa de cristal 2D TaS2 intercalada se agrupaban espontáneamente para formar su propio cristal, conocido como cristal de carga o onda de densidad de carga, un patrón repetitivo en la distribución de electrones en un material sólido.
A medida que los electrones se agrupan y cristalizan, su movimiento se restringe y el metal ya no conduce bien la electricidad. Sin cambiar la química del material, la formación de cristales de carga ha convertido el material de conductor a aislante. Este exótico fenómeno cuántico podría resultar útil como transistor en la computación clásica o cuántica, actuando como una puerta para controlar el flujo de voltaje.
"Esto abre la idea de que la síntesis endotaxial podría ser una estrategia importante para estabilizar estados cuánticos frágiles en los rangos de temperatura normales en los que existimos", dijo Suk Hyun Sung, primer autor del artículo y graduado doctoral de la Universidad de Michigan y actual postdoctorado en el Instituto Rowland de la Universidad de Harvard.
Con un cristal de carga estable a temperatura ambiente en la mano, los investigadores decidieron calentarlo para observar los cambios.
"Se ordena a temperaturas inesperadamente altas. No sólo a temperatura ambiente, sino que si lo calientas más allá del punto de ebullición del agua, todavía tiene una onda de densidad de carga", dijo Hovden.
Los investigadores finalmente observaron cómo el cristal de carga se derretía mientras el material permanecía sólido, eliminando el estado cuántico.
Experimentos como este mejoran nuestra comprensión básica de los materiales cuánticos, lo cual es esencial mientras los investigadores trabajan para aprovechar fenómenos cuánticos exóticos para soluciones de ingeniería.
"Los materiales cuánticos van a revolucionar tanto la computación clásica como la cuántica", afirmó Hovden.
Ambos campos están estancados, afirma Hovden. La computación clásica ha agotado lo que el silicio puede hacer y la computación cuántica actualmente sólo puede funcionar a temperaturas extremadamente bajas. Necesitan materiales cuánticos para avanzar.
Por ahora, esta investigación sienta las bases para descubrir nuevos materiales cuánticos utilizando la síntesis endotaxial y ofrece promesas para estabilizar propiedades cuánticas a temperaturas más prácticas.
Más información: Suk Hyun Sung et al, Estabilización endotaxial de ondas de densidad de carga 2D con orden de largo alcance, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-45711-3
Información de la revista: Comunicaciones sobre la naturaleza
Proporcionado por la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Michigan
