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Investigadores del Centro de Nanomateriales Funcionales (CFN), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía (DOE) de EE. UU. 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 en temperatura ambiente utilizando materiales y técnicas novedosos. Este descubrimiento podría dar lugar a dispositivos que utilicen esta tecnología para almacenar y procesar información de formas novedosas sin necesidad de almacenarla a temperaturas extremadamente bajas. Su investigación fue publicada recientemente en comunicación de la naturaleza.
Una de las vías que se están explorando para crear 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 llaman «valles». Algunos materiales tienen múltiples valles con la misma energía. Un electrón en un sistema como este puede ocupar cualquiera de estos valles, proporcionando 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 costo de mantener las bajas temperaturas necesarias para mantener estable la polarización del valle. Sin esta estabilidad, los dispositivos empezarían a perder información. Para que dicha tecnología sea viable para aplicaciones prácticas y asequibles, los expertos tendrían que encontrar una manera de sortear esta limitación.
Explorando paisajes en 2D para los valles perfectos
Los dicalcogenuros de metales de transición (TMD) son materiales en capas interesantes que pueden tener solo unos pocos átomos de espesor en su forma más delgada. Cada capa del material consta de una capa bidimensional (2D) de átomos de metales de transición intercalados entre átomos de calcógeno. Mientras que el metal y el calcógeno de una capa están fuertemente unidos por enlaces covalentes, las capas vecinas sólo están débilmente unidas por interacciones de van der Waal. Los enlaces débiles que mantienen unidas estas capas permiten que los TMD se desprendan hasta formar una monocapa de solo una “molécula” de espesor. A menudo se les denomina materiales 2D.
El equipo de CFN sintetizó monocristales de perovskitas de haluro de plomo quirales (R/S-NEAPbI).3). La quiralidad describe un conjunto de objetos, como las moléculas, que son una imagen especular entre sí pero que no pueden superponerse. Se deriva de la palabra griega que significa «manos» y es un ejemplo perfecto de quiralidad. Las dos formas son idénticas, pero cuando colocas una mano sobre la otra, no coinciden. Esta asimetría es importante para controlar la polarización de los valles.
Se colocaron escamas de este material, de unos 500 nanómetros de espesor, o cinco milésimas del espesor de un cabello humano, sobre una monocapa de disulfuro de molibdeno (MoS).2) TMD para crear la llamada heteroestructura. Al combinar diferentes materiales 2D con propiedades que influyen en 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 emocionado de ver cómo se comportaba.
Un grado de libertad
“Los TMD tienen dos valles con la misma energía” explicó Shreetu Shrestha, investigador postdoctoral del CFN y autor de este artículo. “Un electrón puede estar en un valle u otro, dándole 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 utilizó herramientas en las instalaciones avanzadas de microscopía y espectroscopía óptica del CFN. Los científicos utilizaron un láser polarizado linealmente para excitar la heteroestructura que crearon y luego utilizaron un microscopio confocal para medir la luz emitida por el disulfuro de molibdeno TMD. Realizaron el mismo proceso con un TMD al que no se le añadió una 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 menores emisiones 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 diferentes espines. Dependiendo de la lateralidad de la perovskita quiral, los electrones que giraban hacia arriba o hacia abajo se transferían preferentemente desde un valle sobre los electrones con espín opuesto en el otro valle. Este fenómeno permitiría a los investigadores ocupar valles de forma selectiva y explotar su población de la misma manera que los transistores actuales de las computadoras almacenan los unos y los ceros de los bits binarios.
“Un punto importante a destacar de este experimento es que estos resultados se obtuvieron a temperatura ambiente, que es donde debería estar moviéndose todo el campo”. dijo Mircea Cotlet, científica de materiales del Brookhaven Lab e investigadora principal del proyecto. “Mantener el hardware a las bajas temperaturas que se utilizaban es mucho más complejo y costoso. Es alentador ver estas propiedades de los materiales a temperatura ambiente”.
Si bien la investigación de Valleytronics aún se encuentra en sus primeras etapas, los investigadores ya están pensando en posibles aplicaciones. Esta tecnología podría mejorar los dispositivos existentes de maneras sorprendentes y ampliar las capacidades de las computadoras clásicas, pero también podría ser un componente del hardware del futuro.
«Esto ayudaría a que la informática clásica fuera más eficiente». dijo Shrestha, “Pero esta tecnología también podría usarse 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 aprovechar”.
Promoviendo la colaboración y la innovación
Los usuarios y colaboradores de CFN provienen de una amplia gama de entornos académicos, de investigación e industriales. En este experimento participó un antiguo empleado de la empresa estadounidense de tecnología aeroespacial y de defensa Northrop Grumman. En 2021, la Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable (EERE) del DOE otorgó fondos a CFN para trabajar con Northrop Grumman en el marco 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 los laboratorios y la industria al tiempo que promueven la innovación en la fabricación y el crecimiento económico y la seguridad energética de los EE. UU.
«Nuestra colaboración con Northrop Grumman y Don DiMarzio se remonta a 2015». Cotlet dijo. “Tenemos un interés compartido en los materiales 2D, particularmente en cómo contribuirán al desarrollo de la próxima generación de informática. Es alentador tener la experiencia de tantas personas diferentes aquí bajo un mismo techo. Somos una instalación de usuario con acceso a una variedad de herramientas y técnicas de alta gama que nos brindan la capacidad de reunir toda esta información.
Este trabajo también permitió a Shrestha y Cotlet ampliar aún más su investigación en curso sobre TMD y transferencia de carga.
“Trabajé con perovskitas durante mi tesis doctoral y mi primer puesto posdoctoral”. dijo Shrestha, “Así que pudimos combinar mi experiencia en esta área con la experiencia de Mircea en TMD y los instrumentos ópticos que tenemos en las instalaciones avanzadas de microscopía y espectroscopía óptica de CFN 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. Tal entendimiento no sería posible sin un esfuerzo concertado y sin acceso a todas estas instalaciones de alto nivel bajo un mismo techo. Espero ver hacia dónde conduce este trabajo y aportar más conocimientos al programa de materiales 2D de CFN”.
Fuente: https://www.bnl.gov/world/
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