Los electrones pueden organizarse en patrones cristalinos que acumulan defectos a medida que se funden; controlar el grado de fusión puede hacer avanzar superconductores y neuronas artificiales.
Un gradiente de defectos en una estructura cristalina de electrones. La parte superior de la imagen, en azul, representa temperaturas más frías en las que el espacio entre los grupos de electrones (puntos blancos) es más uniforme. La estructura se vuelve menos uniforme a medida que desciende hacia las temperaturas más altas en la parte inferior de la imagen, que se muestra en rosa. Crédito de la imagen: Jeremy Shen, Suk Hyun Sung y Robert Hovden, Ingeniería de la Universidad de Michigan.
- cristales de electronestambién llamadas ondas de densidad de carga, son grupos de electrones cuidadosamente dispuestos con un espaciado uniforme, similar a la estructura atómica de los cristales.
- Investigadores de Ingeniería de la Universidad de Michigan descubrieron que los cristales de electrones pueden acumular defectos a medida que se funden, de forma similar al proceso de fusión de los sólidos físicos. Los investigadores creen que controlar el grado de fusión puede permitir dispositivos con computación neuromórfica y superconductores.
- Hay evidencia de fusión de cristales de electrones en muchos tipos de materiales, lo que sugiere que podría aprovecharse en una variedad de sistemas.
En un proceso análogo a cómo los sólidos se funden en líquidos, los electrones de muchos metales diferentes forman patrones cristalinos que pueden deformarse y fundirse, abriendo nuevas vías para la computación neuromórfica y los superconductores, según han descubierto investigadores de ingeniería de la Universidad de Michigan.
«Nuestro trabajo muestra que estas estructuras cuánticas, que a menudo se piensa que tienen una estructura altamente ordenada, en realidad abarcan un continuo de desorden que podría aprovecharse para diseñar y controlar estos materiales», dijo Robert Hovdenprofesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales y autor correspondiente del estudio publicado en Matter. El estudio fue financiado por el Departamento de Energía de Estados Unidos y la Fundación Nacional de Ciencias.
«Los metalúrgicos a menudo controlan los defectos o el desorden de los metales para producir propiedades específicas», dijo Hovden. «Un enfoque similar podría ayudarnos a aprovechar el potencial de los materiales cuánticos en dispositivos futuros. La metalurgia cuántica podría ser el futuro».
La capacidad de editar con precisión la estructura de estos cristales de electrones, también llamados ondas de densidad de carga, podría abrir nuevas vías para controlar los superconductores (materiales que transportan corriente eléctrica sin resistencia), ya que los estados superconductores pueden coincidir con defectos en las ondas de densidad de carga.
Controlar la estructura de los cristales de electrones también podría permitir a los ingenieros convertir rápidamente metales en aislantes, ya que las ondas de densidad de carga interrumpen el flujo de electricidad en algunos conductores. El cambio preciso entre conductor y aislante refleja el camino Las células cerebrales transmiten señales eléctricas.y algunos científicos creen que tales materiales podrían avanzar computación neuromórficaque puede procesar y transmitir grandes cantidades de datos con poca energía.
Explicación de los cristales de electrones: cristales dentro de cristales
En un conductor, los electrones libres suelen estar distribuidos uniformemente por todo el metal. A veces, sin embargo, forman grupos uniformemente espaciados que crean un patrón ondulatorio de densidad electrónica alta y baja alternada llamado onda de densidad de carga.
Esta agrupación periódica de carga se asemeja a la estructura atómica de los cristales. Cuando ese orden se degrada, los cristales se derriten físicamente, y esto puede suceder en etapasespecialmente cuando el cristal tiene sólo uno o dos átomos de espesor. Antes de que el cristal se derrita por completo, la distancia entre los átomos se vuelve más irregular y las filas de átomos se dislocan. Como resultado, el patrón secuencial se rompe, creando reveladores motivos hexagonales que se repiten a lo largo de la red cristalina.
Cuando los científicos encontraron lo mismo estado de fusión intermedio En las ondas de densidad de carga, algunos comenzaron a preguntarse si las ondas de densidad de carga también podrían fundirse por completo. La estructura no fluiría como un líquido físico, pero sería un líquido en el sentido de que desaparecería la disposición ordenada y periódica de los grupos de electrones.
Una serie temporal de los patrones de difracción de electrones de la onda de densidad de carga en el sulfuro de tantalio a medida que se calienta. El punto grande representa un átomo de metal y los puntos del perímetro representan grupos de electrones libres. Los puntos que representan los grupos de cargas se desvanecen y se aplanan a medida que se calienta el metal. Crédito de la imagen: Suk Hyun Sung y Nishkarsh Agarwal, Hovden Lab, Ingeniería de la Universidad de Michigan.
Derritiendo el cristal de electrones
El patrón de difracción de electrones de un cristal de electrones completamente fundido, basado en predicciones realizadas por un modelo informático. Crédito de la imagen: Jeremy Shen, Hovden Lab, Ingeniería de la Universidad de Michigan.
El equipo de Hovden logró fundir una onda de densidad de carga dentro de una lámina 2D de sulfuro de tantalio metálico, aunque no pudieron lograr una onda de densidad de carga completamente líquida antes de que el cristal físico comenzara a cambiar. A medida que los grupos de electrones se dislocaban de sus ordenadas filas, el espacio entre cada fila crecía. La estructura en expansión aumentó la longitud de onda del patrón de onda de densidad de carga, que determina la conductividad del material.
Los investigadores detectaron la fusión disparando un haz de electrones al metal mientras se calentaba a 568 grados Fahrenheit. Cuando los electrones disparados pasan a través del metal, se desvían de los átomos antes de golpear una cámara. Se crea una mancha en el lugar del impacto y la disposición de las manchas corresponde a la posición y disposición de los átomos en el cristal.
Cuando un metal tiene un cristal de electrones, los puntos que representan átomos en el patrón de difracción están rodeados por puntos adicionales que representan las posiciones de los grupos de electrones. El equipo de Hovden descubrió que estos puntos se difuminan formando óvalos y se desvanecen a medida que aumenta el número de deformaciones en el cristal de electrones.
Los investigadores recrearon el patrón de manchas en una simulación por computadora que describía cómo el cristal de electrones derretido debería difractar un haz de electrones. La simulación también describió cómo los cristales de electrones podrían fundirse dentro de un metal que de otro modo sería sólido: los grupos de electrones desaparecen a medida que aumenta la presión electrónica. Una vez que un cúmulo desaparece, sus electrones compuestos vuelven a unirse al campo de fondo.
Las simulaciones también predijeron que cuando se completa el proceso de fusión, los óvalos de difracción se difuminan formando un halo tenue que rodea los puntos que representan los átomos del metal. Este mismo patrón de halo fue encontrado por investigadores de la UCLA después de crear un onda de densidad electrónica líquida.
Sospechando que la evidencia de la fusión podría haber estado oculta en estudios más antiguos sobre ondas de densidad de carga, el equipo de Hovden buscó los patrones de difracción de electrones en 28 estudios de otros metales con ondas de densidad de carga. Encontraron evidencia de fusión en casi todos los metales 2D que revisaron, así como en varios metales 3D.
«Cuando nos fijamos en estos materiales, pueden tener propiedades eléctricas y magnéticas muy diferentes, pero podemos describir la física subyacente central de la mayoría de sus ondas de densidad de carga con este marco bastante simple», dijo jeremy shenestudiante de maestría de la UM en ingeniería eléctrica e informática y uno de los primeros coautores del estudio. «El hecho de que tengamos un mando universal en todos estos sistemas que podamos utilizar para acceder a diferentes propiedades es muy interesante».
Las ondas de densidad de carga se estudiaron en el Centro de Michigan para la caracterización de materialesque se opera y mantiene con el apoyo de asignaciones de costos indirectos en subvenciones federales. Las simulaciones se realizaron con servidores de la UM. Computación de investigación avanzada.
Fuente: Universidad de Michigan
