Sintonización del óxido por transferencia de iones
Los investigadores descubren una nueva fórmula para cambiar las propiedades electrónicas y magnéticas de las interfaces de óxido
La mayoría de los materiales son magnéticos, o no lo son. Sin embargo, los científicos del Forschungszentrum Jülich han descubierto ahora un nuevo mecanismo que permite adaptar las propiedades electrónicas y magnéticas de un material de forma dirigida y reversible. El efecto depende de la transferencia de iones en la interfaz de dos óxidos - los investigadores pudieron probar la existencia de este proceso por primera vez experimentalmente. Los dos óxidos por sí solos no suelen mostrar ni magnetismo ni una conductividad eléctrica significativa. Sólo en combinación, ambas propiedades se dan en la interfaz. Las relaciones cuantitativas aún no están claras. Sin embargo, los investigadores lograron cambiar el orden magnético en la interfaz moviendo los iones a través de la misma, haciendo que el material fuera más magnético. También fueron capaces de controlar las propiedades eléctricas a través de la distribución de electrones resultante.
Los sistemas de materiales con tales propiedades electrónicas flexibles son relevantes para varias tecnologías informáticas emergentes como la computación neuromórfica o los enfoques espintrónicos. Una posible aplicación sería un transistor "multifuncional" que puede controlar no sólo la corriente eléctrica sino también las corrientes de espín (espintrónica). Tal dispositivo podría entonces ser controlado aplicando tanto un voltaje como un campo magnético.
El sistema de interfaz "electrónico" compuesto por los óxidos LaAlO3 y SrTiO3 ya fue descubierto en 2004 y ha suscitado un interés mundial. Ambos materiales intercambian tanto electrones como componentes atómicos en forma de cationes cargados en la interfaz, como han podido demostrar ahora los investigadores de Jülich. De esta manera se forman nuevas propiedades electrónicas en la interfaz. Un fenómeno similar se conoce también de los semiconductores. Sin embargo, el efecto puramente electrónico se limita exclusivamente a la transferencia de electrones.
Los investigadores del Instituto Peter Grünberg de Jülich (PGI-7) han podido demostrar experimentalmente por primera vez que, además del intercambio de electrones, la transferencia de cargas "iónicas" es también responsable del cambio de las propiedades electrónicas del sistema LaAlO3/SrTiO3. El concepto permite ajustar la conductividad y las propiedades magnéticas de la interfaz al mismo tiempo.
Mediante diversas "mezclas" de transferencia de carga electrónica e iónica, pudieron crear diferentes interfaces que difieren en cuanto a sus propiedades electrónicas y estructura atómica. Por ejemplo, los investigadores pudieron crear interfaces con alta conductividad y magnetismo débil o con menor conductividad y magnetismo más fuerte.
Se obtuvieron conocimientos experimentales utilizando la espectroscopia de fotoelectrones de rayos X en condiciones atmosféricas (espectroscopia de fotoelectrones de rayos X a presión cercana al ambiente, NAP-XPS). El método es todavía bastante nuevo y ofrece -como ya se ha demostrado- un acceso directo a los procesos iónicos en las interfaces con precisión atómica. Experimentalmente, el movimiento de los cationes a través de la interfaz puede ser estudiado y controlado dinámicamente por la temperatura y la atmósfera de oxígeno. A partir de estos datos, pueden extraerse conclusiones específicas sobre la relación entre la estructura iónica y las propiedades eléctricas y magnéticas resultantes.
Control de procesos por contacto con el oxígeno
La transferencia de iones se controla mediante el contacto con el oxígeno. Esto hace que los iones de estroncio (Sr) se muevan a través de la interfaz. Cada ión Sr que falta se une a dos electrones. Como éstos ya no pueden contribuir a la conductividad eléctrica, la conductividad eléctrica disminuye. Al mismo tiempo, este proceso causa defectos en los cristales que influyen en el orden magnético de los electrones restantes. Así, el sistema se vuelve más magnético mientras pierde conductividad. El hecho de que estos cationes puedan moverse libremente en esta medida fue postulado anteriormente por los investigadores, pero la mayoría de ellos no lo consideraron posible en la práctica. Por lo tanto, el presente estudio refleja un hito en la comprensión de los procesos iónicos en las interfaces de los óxidos.
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