BESSY II: Cadenas de fósforo: un material 1D con propiedades electrónicas 1D
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Por primera vez, BESSY II ha logrado demostrar experimentalmente propiedades electrónicas unidimensionales en un material. Las muestras consistían en cadenas cortas de átomos de fósforo que se forman sobre un sustrato de plata de forma autoorganizada en ángulos específicos. Mediante un sofisticado análisis, fue posible separar las contribuciones de las cadenas con orientaciones diferentes y demostrar que las propiedades electrónicas son efectivamente unidimensionales. Los cálculos también mostraron que cabe esperar una transición de fase excitante. Mientras que el material formado por cadenas individuales es semiconductor, una estructura de cadenas muy densa sería metálica.
El mundo material está formado por átomos que se combinan para formar todo tipo de sustancias diferentes. Por regla general, estos átomos están interconectados tanto en un plano como perpendicularmente a él. Pero hay otra forma: los átomos de carbono pueden formar grafeno, una red hexagonal en la que sólo están conectados entre sí en un plano. El elemento fósforo también puede entrecruzarse en dos dimensiones y formar una forma 2D estable. Estos materiales bidimensionales constituyen un apasionante campo de investigación porque poseen propiedades electrónicas y ópticas asombrosas. Las consideraciones teóricas muestran que las propiedades electroópticas de las estructuras unidimensionales podrían ser aún más exóticas.
De hecho, recientemente ha sido posible producir estructuras unidimensionales. En determinadas condiciones, por ejemplo, es posible que los átomos de fósforo se dispongan en líneas cortas sobre un sustrato de plata. Morfológicamente, estas cadenas son unidimensionales. Sin embargo, hay que suponer que interactúan lateralmente con otras cadenas. Tales interacciones influyen en la estructura electrónica y podrían destruir la unidimensionalidad. Hasta ahora, sin embargo, no ha sido posible medir esto adecuadamente de forma experimental.
"Ahora hemos demostrado con una evaluación muy exhaustiva de las mediciones en BESSY II que tales cadenas de fósforo tienen realmente una estructura electrónica unidimensional", afirma el Prof. Oliver Rader, que dirige el Departamento de Espín y Topología en Materiales Cuánticos del HZB.
El Dr. Andrei Varykhalov y su equipo produjeron y caracterizaron por primera vez cadenas de fósforo sobre plata utilizando un criomicroscopio de efecto túnel. Las imágenes muestran que se forman cadenas P cortas en tres direcciones distintas sobre el sustrato, con ángulos de 120 grados entre ellas.
"Conseguimos resultados de gran calidad; por ejemplo, pudimos observar la formación de ondas estacionarias (de electrones) a lo largo de las cadenas en el microscopio de efecto túnel", explica Varykhalov. Analizaron la estructura electrónica utilizando un método con el que el equipo ya tiene mucha experiencia: Espectroscopia de emisión de fotoelectrones con resolución angular (ARPES) en BESSY II.
El Dr. Maxim Krivenkov y la Dra. Maryam Sajedi realizaron aquí un trabajo pionero: analizando cuidadosamente los datos, consiguieron separar las contribuciones de las tres cadenas de fósforo orientadas de forma diferente. "Pudimos desentrañar las señales ARPES de estos dominios y demostrar así que estas cadenas de fósforo 1D tienen en realidad una estructura electrónica 1D muy clara", afirma Krivenkov. Los cálculos realizados con la teoría del funcional de la densidad confirman este análisis y hacen una predicción interesante: cuanto más cerca estén estas cadenas unas de otras, más fuertemente interactuarán. Los cálculos predicen una transición de fase de semiconductor a metal a medida que aumenta la densidad del conjunto de cadenas, de modo que una estructura bidimensional de cadenas de fósforo sería metálica.
"Hemos entrado aquí en un nuevo campo de investigación, un territorio inexplorado en el que probablemente todavía sean posibles muchos descubrimientos apasionantes", afirma Varykhalov.
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