07.07.2022 - Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

Espintrónica: Los semiconductores gigantes de Rashba muestran una dinámica poco convencional con posibles aplicaciones

El teluro de germanio es un firme candidato para su uso en dispositivos funcionales de espintrónica debido a su efecto Rashba gigante. Ahora, los científicos de HZB han descubierto otro fenómeno intrigante en el GeTe al estudiar la respuesta electrónica a la excitación térmica de las muestras. Para su sorpresa, la relajación posterior procedió de forma fundamentalmente diferente a la de los semimetales convencionales. Controlando delicadamente los finos detalles de la estructura electrónica subyacente, podrían concebirse nuevas funcionalidades de esta clase de materiales.

En las últimas décadas, la complejidad y la funcionalidad de las tecnologías basadas en el silicio han aumentado exponencialmente, en consonancia con la demanda cada vez mayor de dispositivos más pequeños y capaces. Sin embargo, la era del silicio está llegando a su fin. Con la creciente miniaturización, los efectos cuánticos indeseables y las pérdidas térmicas se convierten en un obstáculo cada vez mayor. Para seguir avanzando se necesitan nuevos materiales que aprovechen los efectos cuánticos en lugar de evitarlos. Los dispositivos espintrónicos, que utilizan los espines de los electrones en lugar de su carga, prometen dispositivos más eficientes desde el punto de vista energético, con tiempos de conmutación significativamente mejorados y con funcionalidades totalmente nuevas.

Llegan los dispositivos espintrónicos

Los candidatos a dispositivos espintrónicos son materiales semiconductores en los que los espines están acoplados al movimiento orbital de los electrones. Este llamado efecto Rashba se da en una serie de semiconductores no magnéticos y compuestos semimetálicos y permite, entre otras cosas, manipular los espines del material mediante un campo eléctrico.

Primer estudio en estado de no equilibrio

El teluro de germanio alberga uno de los mayores efectos Rashba de todos los sistemas semiconductores. Sin embargo, hasta ahora, el teluro de germanio sólo se había estudiado en equilibrio térmico. Ahora, por primera vez, un equipo dirigido por el físico del HZB Jaime-Sánchez-Barriga ha accedido específicamente a un estado de no-equilibrio en muestras de GeTe en BESSY II y ha investigado en detalle cómo se restablece el equilibrio en el material en escalas de tiempo ultrarrápidas (<10-12 segundos). En el proceso, los físicos encontraron un fenómeno nuevo e inesperado.

En primer lugar, se excitó la muestra con un pulso infrarrojo y luego se midió con alta resolución temporal mediante espectroscopia de fotoemisión con resolución angular (tr-ARPES). "Por primera vez, pudimos observar y caracterizar todas las fases de excitación, termalización y relajación en escalas de tiempo ultracortas", afirma Sánchez-Barriga. El resultado más importante: "Los datos muestran que el equilibrio térmico entre el sistema de electrones y la red cristalina se restablece de una forma muy poco convencional y contraintuitiva", explica uno de los autores principales, Oliver Clark.

Equilibrio restaurado: cuanto más frío, más rápido

En los sistemas metálicos simples, el equilibrio térmico se establece principalmente a través de la interacción entre los electrones entre sí y entre los electrones y las vibraciones de la red del cristal (fonones). Este proceso se ralentiza progresivamente a medida que disminuyen las temperaturas. En el teluro de germanio, sin embargo, los investigadores observaron un comportamiento opuesto: Cuanto más baja es la temperatura de la red de la muestra, más rápido se establece el equilibrio térmico tras la excitación con el pulso de calor. "Eso fue muy sorprendente", dice Sánchez-Barriga. Con cálculos teóricos en el marco de la aproximación de Boltzmann realizados por colaboradores de la Universidad Tecnológica de Nanyang, pudieron interpretar los procesos microscópicos subyacentes y distinguir tres procesos de termalización diferentes: Interacciones entre electrones dentro de la misma banda, en bandas diferentes y electrones con fonones.

Futuras aplicaciones

Al parecer, la interacción entre electrones domina la dinámica y se hace mucho más rápida al disminuir la temperatura de la red. "Esto puede explicarse por la influencia del desdoblamiento de Rashba en la fuerza de las interacciones electrónicas fundamentales. Este comportamiento es aplicable a todos los semiconductores Rashba", afirma Sánchez-Barriga: "Los resultados actuales son importantes para las futuras aplicaciones de los semiconductores Rashba y sus excitaciones en espintrónica ultrarrápida".

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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