Investigadores del Centro de Nanomateriales Funcionales (CFN), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) en el Laboratorio Nacional Brookhaven del DOE, y Northrop Grumman, una empresa multinacional de tecnología aeroespacial y de defensa, han encontrado una manera de mantener la polarización del valle. a temperatura ambiente utilizando materiales y técnicas novedosos.
Este descubrimiento podría conducir a dispositivos que almacenen y procesen información de formas novedosas sin la necesidad de mantenerlos a temperaturas ultrabajas. Su investigación fue publicada recientemente en Nature Communications. .
Uno de los caminos que se están explorando para lograr estos dispositivos es un campo relativamente nuevo llamado "valleytronics". La estructura de bandas electrónicas de un material (el rango de niveles de energía en las configuraciones electrónicas de cada átomo) puede subir o bajar. Estos picos y valles se conocen como "valles". Algunos materiales tienen múltiples valles con la misma energía. Un electrón en un sistema como este puede ocupar cualquiera de estos valles, lo que presenta una forma única de almacenar y procesar información según el valle que ocupa el electrón.
Sin embargo, un desafío ha sido el esfuerzo y el gasto de mantener las bajas temperaturas necesarias para mantener estable la polarización del valle. Sin esta estabilidad, los dispositivos empezarían a perder información. Para que una tecnología como esta sea factible para aplicaciones prácticas y asequibles, los expertos tendrían que encontrar una manera de superar esta limitación.
Los dicalcogenuros de metales de transición (TMD) son interesantes materiales en capas que pueden tener, en su forma más delgada, solo unos pocos átomos de espesor. Cada capa del material consta de una lámina bidimensional (2D) de átomos de metales de transición intercalados entre átomos de calcógeno. Mientras que el metal y el calcógeno están fuertemente unidos en una capa mediante enlaces covalentes, las capas adyacentes sólo están débilmente unidas mediante interacciones de van der Waal. Los enlaces débiles que mantienen unidas estas capas permiten que los TMD se exfolie hasta formar una monocapa de sólo una "molécula" de espesor. A menudo se les conoce como materiales 2D.
El equipo de CFN sintetizó monocristales de perovskitas de haluro de plomo quirales (R/S-NEAPbI3 ). La quiralidad describe un conjunto de objetos, como moléculas, que son una imagen especular entre sí pero que no se pueden superponer. Se deriva de la palabra griega que significa "manos", un ejemplo perfecto de quiralidad. Las dos formas son idénticas, pero si pones una mano encima de la otra, no se alinearán. Esta asimetría es importante para controlar la polarización de los valles.
Se colocaron escamas de este material, de aproximadamente 500 nanómetros de espesor o cinco milésimas del espesor de un cabello humano, sobre una monocapa de disulfuro de molibdeno (MoS2 ) TMD para crear lo que se conoce como heteroestructura. Al combinar diferentes materiales 2D con propiedades que afectan la transferencia de carga en la interfaz entre los dos materiales, estas heteroestructuras abren un mundo de posibilidades.
Después de crear y caracterizar esta heteroestructura, el equipo estaba ansioso por ver cómo se comportaba.
"Los TMD tienen dos valles con la misma energía", explicó Shreetu Shrestha, investigador postdoctoral asociado en CFN y autor de este artículo. "Un electrón puede estar en un valle u otro, lo que le da un grado adicional de libertad. Luego se puede almacenar información en función del valle que ocupa un electrón."
Para obtener una mejor imagen del comportamiento del material, el equipo aprovechó las herramientas de las instalaciones de microscopía y espectroscopía óptica avanzada del CFN. Los científicos utilizaron un láser polarizado linealmente para excitar la heteroestructura que fabricaron y luego midieron la luz emitida por el TMD de disulfuro de molibdeno utilizando un microscopio confocal. Realizaron el mismo proceso con un TMD al que no se le añadió la capa de perovskita de haluro de plomo quiral.
Durante estos experimentos avanzados, los investigadores notaron algo interesante sobre la forma en que se emitía la luz. La heteroestructura tuvo una emisión menor que el TMD desnudo. Los investigadores atribuyeron este comportamiento a la carga transferida desde el TMD a la perovskita en la heteroestructura. Utilizando espectroscopía ultrarrápida, los investigadores descubrieron que la carga se transfiere muy rápidamente:sólo unas pocas billonésimas de segundo.
El equipo también descubrió que la intensidad de los componentes polarizados circularmente izquierdo y derecho de la luz emitida depende de la lateralidad de la perovskita quiral utilizada. La naturaleza quiral de la perovskita actuó como un filtro para electrones con diferente espín. Dependiendo de la lateralidad de la perovskita quiral, los electrones que giran hacia arriba o hacia abajo se transfirieron preferentemente desde un valle a los electrones con el giro opuesto en el otro valle. Este fenómeno permitiría a los investigadores poblar valles de forma selectiva y utilizar su ocupación de la misma manera que los transistores actuales de las computadoras almacenan los 1 y 0 de los bits binarios.
"Un punto importante a destacar en este experimento es que estos resultados se obtuvieron a temperatura ambiente, que es donde debería moverse todo el campo", dijo Mircea Cotlet, científico de materiales del Brookhaven Lab e investigador principal del proyecto. "Mantener el hardware a las bajas temperaturas que se estaban utilizando es mucho más complejo y costoso. Es alentador ver este tipo de propiedades de materiales a temperatura ambiente".
Aunque la investigación sobre Valleytronics se encuentra todavía en una fase inicial, los investigadores ya han estado pensando en posibles aplicaciones. Esta tecnología podría mejorar los dispositivos existentes de maneras sorprendentes, ampliando las capacidades de las computadoras clásicas, pero también podría ser un componente del hardware del futuro.
"Esto ayudaría a hacer más eficiente la computación clásica", dijo Shrestha, "pero esta tecnología también podría aprovecharse para la ciencia de la información cuántica, que incluye la computación cuántica, o incluso la detección cuántica. Estos materiales atómicamente delgados tienen propiedades cuánticas únicas, que deberíamos ser capaz de aprovechar."
Fomentar la colaboración y la innovación
Los usuarios y colaboradores de CFN provienen de una amplia gama de campos académicos, de investigación e industriales. Este experimento contó con la contribución de un colaborador de larga data de la empresa estadounidense de tecnología aeroespacial y de defensa global Northrop Grumman. En 2021, la Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable (EERE) del DOE otorgó a CFN fondos para colaborar con Northrop Grumman a través del programa Tecnólogo en Residencia (TIR). El programa TIR reúne a personal técnico superior de laboratorios nacionales y de la industria para realizar investigación y desarrollo. Programas como este fortalecen las relaciones nacionales entre laboratorios e industrias al tiempo que promueven la innovación en la fabricación estadounidense y promueven el crecimiento económico y la seguridad energética.
"Nuestras colaboraciones con Northrop Grumman y Don DiMarzio se remontan a 2015", dijo Cotlet. "Tenemos un interés mutuo en los materiales 2D, particularmente en cómo ayudarán a crear la próxima generación de computadoras. Es alentador tener la experiencia de tantas personas diferentes aquí bajo un mismo techo. Somos una instalación para usuarios con acceso a una variedad de materiales de alta calidad. -Instrumentos y técnicas finales que nos dan la capacidad de reunir toda esta información."
Este trabajo también permitió a Shrestha y Cotlet ampliar la investigación continua que ambos han estado realizando sobre los TMD y la transferencia de carga.
"Había trabajado con perovskitas durante mi investigación doctoral y mi primer puesto postdoctoral", dijo Shrestha, "por lo que pudimos combinar mi experiencia en esa área con la experiencia de Mircea en TMD y los instrumentos ópticos que tenemos en el Centro Óptico Avanzado de CFN". Instalación de espectroscopía y microscopía para descubrir algo prometedor. También me entusiasmó trabajar con Suji Park y Xiao Tong de CFN y Mingxing Li, un científico que anteriormente trabajó en CFN y ahora está en Innovare.
"Este tipo de comprensión no sería posible sin un esfuerzo colectivo y el acceso a todas estas instalaciones de alta gama bajo un mismo techo. Estoy entusiasmado de ver a dónde conduce este trabajo y espero contribuir con más conocimientos sobre los materiales 2D de CFN. programa."
Más información: Shreetu Shrestha et al, Polarización del valle a temperatura ambiente mediante transferencia de carga selectiva por espín, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-40967-7
Información de la revista: Comunicaciones sobre la naturaleza
Proporcionado por el Laboratorio Nacional Brookhaven
