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(noticias nanowerk) Los electrones se mueven a través de un material conductor como los viajeros en plena hora punta en Manhattan. Las partículas cargadas pueden chocar entre sí, pero en general no les importan los otros electrones mientras avanzan, cada uno con su propia energía.
Pero cuando los electrones de un material quedan atrapados juntos, pueden establecerse exactamente en el mismo estado energético y comenzar a comportarse como una unidad. Este estado colectivo, parecido a un zombi, se denomina «banda plana» electrónica en física, y los científicos predicen que cuando los electrones están en este estado, pueden comenzar a sentir los efectos cuánticos de otros electrones y actuar de manera cuántica coordinada. Entonces podrían surgir comportamientos exóticos como la superconductividad y formas únicas de magnetismo.
Ahora los físicos del MIT han logrado capturar electrones en un cristal puro. Es la primera vez que los científicos logran crear una cinta plana electrónica en un material tridimensional. Utilizando cierta manipulación química, los investigadores también demostraron que podían convertir el cristal en un superconductor, un material que conduce la electricidad sin resistencia.
Las tesis centrales
Investigación
El estado atrapado de los electrones es posible debido a la geometría atómica del cristal. El cristal que sintetizaron los físicos presenta una disposición de átomos similar a los patrones tejidos en el «kagome», el arte japonés de tejer cestas. En esta geometría particular, los investigadores descubrieron que en lugar de rebotar entre átomos, los electrones estaban «encerrados» y atrapados en la misma banda de energía.
![Disposición cúbica de átomos (en la foto) similar al arte japonés Kagome.](https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/id64021_1.gif)
Los investigadores dicen que este estado de banda plana se puede lograr con prácticamente cualquier combinación de átomos, siempre que estén dispuestos en esta geometría 3D inspirada en Kagome. Los resultados aparecen en Naturaleza (“Bandas planas tridimensionales en el metal pirocloro CaNi2«) ofrecen a los científicos una nueva forma de explorar estados electrónicos raros en materiales tridimensionales. Estos materiales algún día podrían optimizarse para permitir líneas eléctricas de alta eficiencia, bits cuánticos de supercomputación y dispositivos electrónicos más rápidos e inteligentes.
«Ahora que sabemos que podemos hacer una cinta plana a partir de esta geometría, tenemos una gran motivación para investigar otras estructuras que puedan tener una nueva física diferente que podría ser una plataforma para nuevas tecnologías», dice el autor del estudio Joseph Checkelsky, profesor asociado de física. .
Los coautores de Checkelsky en el MIT incluyen a los estudiantes graduados Joshua Wakefield, Mingu Kang y Paul Neves y al becario postdoctoral Dongjin Oh, quienes son coautores principales; los estudiantes de posgrado Tej Lamichhane y Alan Chen; los postdoctorados Shiang Fang y Frank Zhao; el estudiante Ryan Tigue; Mingda Li, profesora asociada de ciencia e ingeniería nucleares; y el profesor asociado de física Riccardo Comin, quien trabajó con Checkelsky para dirigir el estudio; junto con colaboradores de varios otros laboratorios e instituciones.
Configurar una trampa 3D
En los últimos años, los físicos han logrado capturar electrones y confirmar su estado electrónico de banda plana en materiales bidimensionales. Sin embargo, los científicos han descubierto que los electrones atrapados en dos dimensiones pueden escapar fácilmente de la tercera dimensión, lo que dificulta mantener estados de banda plana en dos dimensiones.
En su nuevo estudio, Checkelsky, Comin y sus colegas buscaron crear bandas planas en materiales 3D para que los electrones quedaran atrapados en las tres dimensiones y todos los estados electrónicos exóticos pudieran mantenerse de manera más estable. Tenían la idea de que los patrones de Kagome podrían desempeñar un papel.
En trabajos anteriores, el equipo observó electrones atrapados en una red atómica bidimensional que se parecía a algunos diseños de Kagome. Cuando los átomos se dispusieron en un patrón de triángulos interconectados con esquinas compartidas, los electrones quedaron confinados en el espacio hexagonal entre los triángulos en lugar de rebotar a través de la red. Pero al igual que otros, los investigadores descubrieron que la tercera dimensión permitía a los electrones escapar hacia arriba y fuera de la red.
El equipo se preguntó: ¿Podría una configuración 3D de redes similares servir para confinar los electrones? Buscaron una respuesta en bases de datos de estructuras materiales y encontraron una configuración geométrica particular de átomos comúnmente clasificados como pirocloro, un tipo de mineral con una geometría atómica altamente simétrica. La estructura atómica tridimensional del picloro formaba un patrón de cubo repetido, con la superficie de cada cubo asemejándose a una red similar a una kagome. Descubrieron que, en teoría, esta geometría podría atrapar electrones de forma eficaz en cada cubo.
Aterrizajes rocosos
Para probar esta hipótesis, los investigadores sintetizaron un cristal de pirocloro en el laboratorio.
«No es diferente a la forma en que la naturaleza produce cristales», explica Checkelsky. «Juntamos ciertos elementos, en este caso calcio y níquel, los fundimos a temperaturas muy altas, los enfriamos y los átomos se organizan en esta configuración cristalina similar a una kagome».
Luego intentaron medir la energía de los electrones individuales en el cristal para ver si realmente caían en la misma banda de energía plana. Para hacer esto, los investigadores suelen realizar experimentos de fotoemisión, en los que hacen brillar un solo fotón de luz sobre una muestra, que a su vez expulsa un solo electrón. Luego, un detector puede medir con precisión la energía de ese único electrón.
Los científicos han utilizado la fotoemisión para confirmar los estados de las bandas planas en varios materiales 2D. Debido a su naturaleza físicamente plana y bidimensional, estos materiales son relativamente fáciles de medir con luz láser normal. Sin embargo, con materiales 3D la tarea es más desafiante.
«Para este experimento normalmente se necesita una superficie muy plana», explica Comin. “Pero si nos fijamos en la superficie de estos materiales 3D, son como las Montañas Rocosas, con un paisaje muy ondulado. Los experimentos con estos materiales son muy desafiantes y esa es una de las razones por las que nadie ha demostrado que alberguen electrones atrapados”.
El equipo superó este obstáculo utilizando espectroscopia de fotoemisión con resolución de ángulo (ARPES), un haz de luz ultraenfocado que puede apuntar a ubicaciones específicas en una superficie 3D irregular y medir las energías de los electrones individuales en esas ubicaciones.
«Es como aterrizar un helicóptero en pistas de aterrizaje muy pequeñas repartidas por todo este paisaje rocoso», dice Comin.
Utilizando ARPES, el equipo midió las energías de miles de electrones en una muestra de cristal sintetizada en aproximadamente media hora. Descubrieron que los electrones en el cristal tenían predominantemente exactamente la misma energía, lo que confirma el estado de banda plana del material 3D.
Para ver si podían manipular los electrones coordinados en un estado electrónico exótico, los investigadores sintetizaron la misma geometría cristalina, esta vez con átomos de rodio y rutenio en lugar de níquel. Sobre el papel, los investigadores calcularon que este intercambio químico debería desplazar la banda plana de electrones a energía cero, un estado que conduce automáticamente a la superconductividad.
Y efectivamente, cuando sintetizaron un nuevo cristal con una combinación de elementos ligeramente diferente en la misma geometría 3D similar a la de Kagome, descubrieron que los electrones del cristal exhibían una banda plana, esta vez en estados superconductores.
«Esto representa un nuevo paradigma en la búsqueda de materiales cuánticos nuevos e interesantes», afirma Comin. “Demostramos que con este componente especial de esta disposición atómica que puede capturar electrones, siempre encontramos estas bandas planas. No es sólo un golpe de suerte. A partir de este momento, el desafío es optimizar para cumplir la promesa de los materiales de la cinta y potencialmente mantener la superconductividad a temperaturas más altas”.
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