24.03.2021 - Universität Regensburg

Electrones en un yeso

Los investigadores han adaptado la interacción mutua de los electrones en un sólido atómicamente delgado simplemente cubriéndolo con un cristal con una dinámica de red seleccionada a mano

En un centímetro cúbico de un sólido suele haber 10²³ electrones. En este sistema masivo de muchos cuerpos, la aparentemente simple interacción electrón-electrón por pares puede causar correlaciones extremadamente complejas y comportamientos exóticos, como la superconductividad. Este fenómeno cuántico convierte a un sólido en un conductor perfecto, que transporta corrientes eléctricas sin disipación. Normalmente, este codiciado comportamiento es un rasgo "divino" de determinados sólidos. Sin embargo, el descubrimiento de materiales en capas atómicamente finas, como el grafeno -una monocapa de grafito- o los dicalcogenuros de metales de transición (TMDC), ha abierto un nuevo laboratorio creativo para adaptar las interacciones electrón-electrón y dar forma a las transiciones de fase. Por ejemplo, apilando capas de grafeno bajo ángulos específicos, se puede crear un comportamiento superconductor. Sin embargo, la teoría ha predicho que también el acoplamiento de los electrones con las vibraciones cuantificadas de la red cristalina -llamadas fonones- puede influir de manera crítica en la forma en que los electrones interactúan entre sí.

Físicos de Ratisbona dirigidos por Rupert Huber, en colaboración con el grupo de Ermin Malic de la Universidad Philipps de Marburgo, han presentado una nueva idea para ajustar la interacción entre los electrones mediante el acoplamiento a las vibraciones polares de la red cristalina de una capa vecina. Este escenario puede realizarse simplemente cubriendo las monocapas de TMDC con una capa de yeso, un material que se utiliza habitualmente en los moldes de escayola. Para medir la fuerza de acoplamiento entre los electrones y los fonones, los físicos excitaron primero los electrones de la monocapa semiconductora de TMDC con un pulso láser ultracorto, dejando los correspondientes huecos en sus lugares originales. Los electrones y los agujeros tienen cargas opuestas y, por tanto, están unidos entre sí por su atracción de Coulomb -al igual que los electrones están unidos al núcleo del átomo de hidrógeno- formando los llamados excitones. Al observar su estructura energética similar a la de un átomo con un pulso de luz ultracorto en el infrarrojo, se puede calibrar la interacción entre las dos partículas.

El sorprendente hallazgo fue que, una vez cubiertas las capas de TMDC con una fina capa de yeso, la estructura de los excitones se modificaba sustancialmente. "La mera proximidad espacial de la capa de yeso es suficiente para acoplar fuertemente la estructura interna de los excitones a las vibraciones polares de la red del yeso", afirma Philipp Merkl, primer autor del estudio. Aunque este mecanismo de acoplamiento conecta electrones y fonones en diferentes capas atómicamente finas, interactúan tan fuertemente que esencialmente se funden en nuevas partículas mezcladas. Una vez que los investigadores encontraron el cuelgue, empezaron a jugar con este nuevo efecto cuántico: colocando una tercera capa atómicamente fina, esencialmente inerte, como espaciador entre el TMDC y el yeso, consiguieron ajustar la distancia espacial entre los electrones y los fonones con precisión atómica. "Esta estrategia nos permitió ajustar la fuerza de acoplamiento con una precisión aún mayor", añade el autor correspondiente, el Dr. Chaw-Keong Yong. Y está convencido: "Estos hallazgos podrían abrir nuevas vías para adaptar las correlaciones electrónicas en los materiales bidimensionales. En el futuro, esto podría permitir transiciones de fase creadas por el hombre en heteroestructuras apiladas artificialmente y nuevas propiedades físicas cuánticas, que podrían encontrar aplicaciones en la futura electrónica sin pérdidas y en los dispositivos de información cuántica."

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