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Al igual que las ondas en un estanque, los electrones viajan como ondas a través de los materiales, y cuando chocan e interactúan, pueden dar lugar a nuevos e interesantes patrones.
Científicos del Laboratorio Nacional de Argonne del Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE) han observado un nuevo tipo de patrón de ondas en una fina película de óxido metálico conocida como titania cuando se confina su forma. El confinamiento, el acto de restringir materiales dentro de un límite, puede alterar las propiedades de un material y el movimiento de las moléculas a través de él.
En el caso de la titania, hizo que los electrones interfirieran entre sí en un patrón único, lo que aumentó la conductividad del óxido, o el grado en que conduce la electricidad. Todo esto ocurrió en la mesoescala, una escala en la que los científicos pueden ver tanto los efectos cuánticos como el movimiento de electrones y moléculas.
Este trabajo ofrece a los científicos más información sobre el comportamiento de los átomos, los electrones y otras partículas a nivel cuántico. Esta información podría ayudar a diseñar nuevos materiales que puedan procesar información y ser útiles en otras aplicaciones electrónicas.
"Lo que realmente distingue a este trabajo es el tamaño de la escala que investigamos", dijo el autor principal, Frank Barrows, un estudiante graduado de la Universidad Northwestern en la División de Ciencias de los Materiales (MSD) de Argonne. "Investigar a esta escala de longitud única nos permitió ver fenómenos realmente interesantes que indican que hay interferencias en el nivel cuántico, y al mismo tiempo obtener nueva información sobre cómo interactúan los electrones y los iones".
Alterar la geometría para cambiar las propiedades del material
Normalmente, cuando se aplica una corriente eléctrica a un óxido como el de titania, los electrones fluyen a través del material en forma de onda simple. Al mismo tiempo, los iones -o partículas cargadas- también se mueven. Estos procesos dan lugar a las propiedades de transporte electrónico del material, como la conductividad y la resistencia, que se aprovechan en el diseño de la electrónica de próxima generación.
"Lo que hicimos en nuestro estudio fue tratar de entender cómo podemos cambiar las propiedades del material confinando la geometría o la forma de la película", dijo el coautor Charudatta Phatak, científico de materiales y líder del grupo en el MSD de Argonne.
Para empezar, los investigadores crearon películas de titanio y luego diseñaron un patrón sobre ellas. En el patrón había agujeros con una separación de apenas 10 a 20 nanómetros. La adición del patrón geométrico alteró el movimiento de los electrones de la misma manera que arrojar piedras a una masa de agua altera las olas que la atraviesan. En el caso de la titania, el patrón hizo que las ondas de electrones interfirieran entre sí, lo que llevó al óxido a conducir más electricidad.
"El patrón de interferencia básicamente mantuvo en su lugar el oxígeno o los iones que normalmente se moverían en materiales como la titania. Y descubrimos que mantenerlos en su sitio era importante o necesario para conseguir una interferencia constructiva de esas ondas", dijo Phatak.
Los investigadores estudiaron la conductividad y otras propiedades mediante dos técnicas: La holografía de electrones y la espectroscopia de pérdida de energía de los electrones. Para ello, aprovecharon los recursos del Centro de Materiales a Nanoescala (CNM) de Argonne, una instalación de usuario de la Oficina de Ciencia del DOE, para fabricar sus muestras y realizar algunas de las mediciones.
"No habríamos sido capaces de ver este patrón único de interferencia si no hubiéramos sido capaces de producir suficientes de estos agujeros en un patrón, lo cual es muy difícil de hacer", dijo Barrows. "La experiencia y los recursos del CNM y de la División de Ciencias de los Materiales de Argonne resultaron fundamentales para ayudarnos a observar este comportamiento emergente".
Aplicaciones futuras
En el futuro, si los investigadores pueden entender mejor lo que dio lugar al aumento de la conductividad, podrían potencialmente encontrar formas de controlar las propiedades eléctricas u ópticas y aprovechar esta información para el procesamiento de la información cuántica. Los conocimientos también podrían servir para ampliar nuestra comprensión de los materiales que pueden cambiar de resistencia. La resistencia mide cuánto resiste un material el flujo de electrones en una corriente eléctrica.
"Los materiales que conmutan la resistencia son interesantes porque pueden ser portadores de información: un estado de resistencia puede ser 0 y el otro 1", explica Phatak. "Lo que hemos hecho puede darnos una idea más clara de cómo podemos controlar estas propiedades utilizando confinamientos geométricos".
Fuentes, créditos y referencias:
Frank Barrows et al, Mesoscale Confinement Effects and Emergent Quantum Interference in Titania Antidot Thin Films, ACS Nano (2021). DOI: 10.1021/acsnano.1c01340