Un estudio que muestra cómo los electrones fluyen alrededor de curvas cerradas, como las que se encuentran en los circuitos integrados, tiene el potencial de mejorar el diseño de estos circuitos, comúnmente utilizados en dispositivos electrónicos y optoelectrónicos.
Se sabe teóricamente desde hace unos 80 años que cuando los electrones viajan por curvas, tienden a calentarse porque sus líneas de flujo se aplastan localmente. Sin embargo, hasta ahora nadie había medido el calor, para lo cual primero es necesario obtener imágenes de las líneas de flujo.
El equipo de investigación, dirigido por Nathaniel M. Gabor de la Universidad de California, Riverside, tomó imágenes de líneas de corriente eléctrica mediante el diseño de un "electrofoil", un nuevo tipo de dispositivo que permite la contorsión, compresión y expansión de líneas de corriente eléctrica. de la misma manera que las alas de un avión se contorsionan, comprimen y expanden el flujo de aire.
"La carga eléctrica se mueve de manera similar a cómo fluye el aire sobre la superficie del ala de un avión", dijo Gabor, profesor de física y astronomía. "Si bien es fácil obtener imágenes del flujo de aire utilizando, por ejemplo, corrientes de humo o vapor en un túnel de viento, como se ve a menudo en los comerciales de automóviles, obtener imágenes de las líneas de corriente de las corrientes eléctricas es mucho más difícil".
Gabor dijo que el equipo combinó imágenes láser con novedosos dispositivos sensibles a la luz para generar las primeras imágenes de corrientes de fotocorriente a través de un dispositivo en funcionamiento. Una fotocorriente es una corriente eléctrica inducida por la acción de la luz.
"Si sabes cómo fluyen los electrones, entonces podrás saber cómo evitar que causen efectos nocivos, como calentar el circuito", dijo Gabor. "Con nuestra técnica, ahora se puede evaluar exactamente dónde y cómo fluyen los electrones, lo que nos brinda una poderosa herramienta para visualizar, caracterizar y medir el flujo de carga en dispositivos optoelectrónicos".
El trabajo de investigación se titula "Mapeo de las corrientes fotocorrientes intrínsecas a través de dispositivos de heteroestructura micromagnética" y aparece en las Proceedings of the National Academy of Sciences. .
Gabor explicó que cuando los electrones ganan energía cinética se calientan. En última instancia, calientan el material que los rodea, como los cables, que pueden correr el riesgo de derretirse.
"Si experimentas un pico de calor en tu computadora, tus circuitos comienzan a morir", dijo. "Por eso, cuando nuestras computadoras se sobrecalientan, se apagan. Es para proteger los circuitos que podrían dañarse debido a todo el calor que se disipa en los metales".
El equipo de Gabor diseñó los electrofoils en el laboratorio como pequeñas alas en dispositivos a nanoescala que hacen que los electrones fluyan a su alrededor, de forma similar a cómo las moléculas de aire fluyen alrededor del ala de un avión.
"Queríamos una forma que pudiera darnos diferentes velocidades de giro, algo con una curvatura continua", dijo Gabor.
"Nos inspiramos en las alas de los aviones, que tienen una curva gradual. Forzamos la corriente a fluir alrededor del electrofoil, que ofrece diferentes ángulos de vuelo. Cuanto más agudo es el ángulo, mayor es la compresión de las líneas de flujo. En cada vez más materiales , estamos empezando a descubrir que los electrones se comportan como líquidos, por lo que en lugar de diseñar dispositivos basados, por ejemplo, en la resistencia eléctrica, podemos adoptar un enfoque teniendo en cuenta las tuberías y diseñar tuberías por las que fluyan los electrones".
En sus experimentos, Gabor y sus colegas utilizaron un método de microscopía que emplea un campo magnético giratorio uniforme para obtener imágenes de líneas de fotocorriente a través de dispositivos ultrafinos hechos de una capa de platino sobre granate de hierro ytrio, o YIG. YIG es un aislante, pero permite un efecto de campo magnético cuando se le pega una fina capa de platino.
"El efecto del campo magnético aparece sólo en la interfaz de este cristal de granate y platino", dijo Gabor. "Si puedes controlar el campo magnético, controlas la corriente."
Para generar una fotocorriente en la dirección deseada, los investigadores dirigieron un rayo láser hacia YIG, sirviendo el láser como fuente de calor local. Un efecto conocido como "efecto foto-Nernst" genera la fotocorriente cuya dirección está controlada por el campo magnético externo.
"La obtención de imágenes directas para rastrear las corrientes de fotocorriente en dispositivos optoelectrónicos cuánticos sigue siendo un desafío clave para comprender el comportamiento de los dispositivos exóticos", dijo Gabor. "Nuestros experimentos muestran que la microscopía aerodinámica de fotocorriente es una nueva y sólida herramienta experimental para visualizar una fotocorriente en materiales cuánticos. Esta herramienta nos ayuda a observar cómo se comportan mal los electrones".
Gabor explicó que es bien sabido que los electrones se comportan de "maneras extrañas" en condiciones específicas, especialmente en dispositivos muy pequeños.
"Nuestra técnica ahora se puede utilizar para estudiarlos mejor", afirmó. "Si estuviera tratando de diseñar un circuito integrado y quisiera saber dónde podría originarse el calor en él, me gustaría saber dónde se comprimen las líneas de flujo de corriente. Nuestra técnica puede ayudar a diseñar circuitos y estimar qué evitar y sugiere que debería No tener curvas pronunciadas en los cables. Los cables deben curvarse gradualmente, pero eso no es lo último en este momento."
Más información: David Mayes et al, Mapeo de las corrientes fotocorrientes intrínsecas a través de dispositivos de heteroestructura micromagnética, Actas de la Academia Nacional de Ciencias (2023). DOI:10.1073/pnas.2221815120
Información de la revista: Actas de la Academia Nacional de Ciencias
Proporcionado por la Universidad de California - Riverside
