Cuando se trata de crear tecnologías avanzadas, mover los electrones de la forma más eficiente posible es básicamente el quid de la cuestión; al fin y al cabo, esa es la razón por la que los superconductores a temperatura ambiente, con su promesa de resistencia eléctrica cero, siguen siendo el “santo grial” de la ciencia de los materiales.
Sin embargo, llevar los materiales al cero absoluto no es la única forma de hacer más eficiente la tecnología, ya que los científicos también pueden mejorar la movilidad electrónica de un material, es decir, la rapidez con que los electrones se mueven a través de un material.
Para mejorar esta movilidad de los electrones, medida en la unidad tan memorable de centímetros cuadrados por voltio-segundo (cm^2/V-s), los científicos del MIT utilizaron un proceso conocido como epitaxia de haces moleculares para construir una fina película, átomo a átomo. El resultado fue una tetradimita ternaria de sólo 100 nanómetros de grosor, pero que supera con creces la movilidad electrónica de cualquier otro material. Los resultados de este estudio se publicaron en la revista Materials Today Physics.
“Antes, lo que la gente había conseguido en términos de movilidad de electrones en estos sistemas era como el tráfico en una carretera en obras: hay atasco, no se puede conducir, hay polvo y es un desastre”, dijo en un comunicado de prensa Jagadeesh Moodera, del MIT y coautor del estudio. “En este material recién optimizado, es como conducir por la Mass Pike sin tráfico”.
La tetradimita ternaria es un mineral que se encuentra de forma natural en yacimientos de oro y cuarzo cercanos a respiraderos hidrotermales y está compuesto por varias combinaciones de bismuto, antimonio telurio, azufre y selenio. Dejando a un lado la logística necesaria para obtener un material de estas características a gran escala, los elementos que se encuentran en estos minerales de forma natural suelen intercambiar posiciones, especialmente el bismuto telurio, lo que introduce defectos e impurezas, dando lugar a una menor movilidad de los electrones.
En su lugar, los científicos del MIT tomaron cartas en el asunto y construyeron una estructura cristalina átomo a átomo. Mediante la epitaxia de haces moleculares, los átomos se disparan sobre un sustrato en el vacío a temperaturas controladas. Este proceso crea esencialmente una película ternaria de tetradimita sin apenas impurezas.
Construir estas películas es una cosa, pero averiguar si tienen una alta movilidad electrónica es un reto totalmente distinto. Por suerte, los investigadores disponen de una técnica que mide las oscilaciones cuánticas (Shubnikov-de Haas) reduciendo el material a temperaturas ultrafrías, introduciendo un fuerte campo magnético y haciendo pasar una corriente a través de la película.
“Resulta que, para nuestra gran alegría y emoción, la resistencia eléctrica del material oscila”, dijo en un comunicado de prensa Hang Chi, de la Universidad de Ottawa, que trabajó en el estudio como científico investigador en el MIT. “Inmediatamente, eso te dice que esto tiene una movilidad de electrones muy alta”.
El equipo descubrió que la película presentaba 10.000 cm2/V-s, la más alta de cualquier película ternaria de tetradimita conocida hasta ahora. Este resultado se debe probablemente a la ausencia de impurezas en el material, que permite a los electrones pasar más libremente, como un coche que circula a toda velocidad por una autopista sin tráfico.
Los científicos afirman que este tipo de avances pueden cambiar las reglas del juego de los dispositivos termoeléctricos, que convierten el calor residual en energía, o de las aplicaciones espintrónicas, que procesan la información utilizando el espín de un electrón.
“Para seguir descubriendo cosas nuevas, tenemos que dominar el crecimiento del material”, afirma Chi. “Estudiando esta delicada danza cuántica de electrones, los científicos pueden empezar a comprender e identificar nuevos materiales para la próxima generación de tecnologías que impulsarán nuestro mundo”.
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