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| Los excitones entre capas (elipsoides brillantes) pueden surgir cuando los electrones y los huecos (esferas rojas y azules) están separados por capas atómicamente finas estimuladas ópticamente (hoja superior e inferior). Markus Plankl es el fotógrafo (2021) |
Un equipo de físicos de Alemania, Estados Unidos y Gran Bretaña ha conseguido observar el movimiento de electrones de una capa atómicamente fina a otra vecina con una resolución espacial a nanoescala. Y materiales superconductores, se presenta en el nuevo volumen de la revista Nature Photonics.
La nanotecnología a veces suena a ciencia ficción, pero ya es parte integrante de la electrónica moderna en nuestros ordenadores, teléfonos inteligentes y coches. Los microscopios de luz convencionales ya no son suficientes para examinar estas nanoestructuras. Para desarrollar la innovadora nanotecnología del futuro, los científicos han sustituido el microscopio de luz por conceptos mucho más sofisticados, como la microscopía de barrido electrónico o de túnel, pero que utilizan electrones en lugar de luz. Que pueden afectar a las propiedades de los dispositivos a nanoescala. Además, estas importantes técnicas de medición se limitan a muestras eléctricamente conductoras.
Un equipo de físicos dirigido por Rupert Huber y Jaroslav Fabian en el Centro de Nanoscopia Ultrarrápida (RUN) de la Universidad de Ratisbona, junto con sus colegas Tyler Cocker, de la Universidad Estatal de Michigan (EE.UU.), y Jessica Boland, de la Universidad de Manchester (Gran Bretaña), han presentado una nueva tecnología que permite resolver el movimiento de los electrones en la nanoescala sin necesidad de contacto eléctrico. Y lo que es mejor, el nuevo proceso también consigue una increíble resolución temporal de una cuatrillonésima de segundo (la escala temporal del femtosegundo). La combinación de estas resoluciones espaciales y temporales extremas permite grabar películas dinámicas a cámara lenta de electrones ultrarrápidos en la nanoescala.
El concepto de la tecnología funciona de forma similar al pago sin contacto (tarjeta con chip, teléfono, escáner), que se ha ido incorporando a nuestras vidas desde el inicio de la pandemia - la macroescala. Como la comunicación de campo cercano (NFC). Aquí, los científicos transfirieron esta idea a la nanoescala con una punta metálica afilada como nanoantena que se acerca a la muestra examinada.
A diferencia de las técnicas mencionadas anteriormente, en las que las puntas se utilizan para conducir una corriente a través de la muestra, el nuevo concepto utiliza un débil campo eléctrico alterno para escanear la muestra sin contacto. La frecuencia utilizada en los experimentos se eleva al rango espectral de los terahercios. Unas 100.000 veces superior a la de los escáneres NFC. Los minúsculos cambios en estos débiles campos eléctricos permiten extraer conclusiones precisas sobre el movimiento local de los electrones en el material.
La combinación de las mediciones con una teoría cuántica realista demuestra que el concepto permite incluso obtener resultados cuantitativos. Para conseguir una alta resolución temporal adicional, los físicos utilizaron pulsos de luz extremadamente cortos para tomar instantáneas nítidas del movimiento de los electrones en el rango nanométrico.
Como primera muestra de prueba, el equipo seleccionó una muestra de una nueva clase de materiales llamados dicalcogenuros de metales de transición, que pueden producirse en capas atómicamente finas. Si estas placas se apilan en ángulos libremente seleccionables, se crean nuevos sólidos artificiales con propiedades materiales novedosas. En el Centro de Investigación Colaborativa 1277 de Ratisbona se investigan de forma destacada estos materiales.
La muestra del estudio se hizo a partir de dos dicalcogenuros atómicamente diferentes para probar el corazón de una célula solar futurista. Al iluminar la estructura con luz verde se crean portadores de carga que se mueven en una u otra dirección según su polaridad: el principio básico de una célula solar que convierte la luz en electricidad. Los científicos observaron la separación ultrarrápida de cargas en el tiempo y el espacio con una precisión nanométrica. Para su sorpresa, la separación de cargas funciona de forma fiable incluso cuando las capas de dicalcogenuro entran en contacto con impurezas, como una miniatura, información importante para optimizar estos nuevos materiales para su futuro uso en células solares o chips de ordenador.
Los investigadores están entusiasmados con los resultados obtenidos. "Estamos deseando filmar más procesos fascinantes de transferencia de carga en materiales aislantes, conductores y superconductores", explica Markus Plankl, primer autor de la publicación. El postdoctorado y coautor Thomas Siday añade: "Las perspectivas sobre el transporte ultrarrápido a longitudes y escalas de tiempo relevantes nos ayudarán a entender cómo el tunelado da forma a la funcionalidad en una variedad de sistemas de materia condensada."
Además de las nanoestructuras en física, los procesos cuánticos que antes eran difíciles de comprender ahora también son accesibles en los sistemas biológicos. Estos resultados reflejan el creciente interés de los investigadores
Fuentes, créditos y referencias:
“Subcycle contact-free nanoscopy of ultrafast interlayer transport in
atomically thin heterostructures” by M. Plankl, P. E. Faria Junior, F.
Mooshammer, T. Siday, M. Zizlsperger, F. Sandner, F. Schiegl, S. Maier,
M. A. Huber, M. Gmitra, J. Fabian, J. L. Boland, T. L. Cocker and R.
Huber, 13 May 2021, Nature Photonics.
DOI: 10.1038/s41566-021-00813-y