Los científicos del Centro RIKEN para Ciencias de la Materia Emergente, junto con sus colaboradores, han desarrollado una técnica para crear dispositivos tridimensionales a nanoescala directamente a partir de materiales monocristalinos. El método se basa en un dispositivo de haz de iones enfocado que puede eliminar material con precisión a una escala extremadamente pequeña. Utilizando este método, el equipo talló pequeñas estructuras helicoidales a partir de un cristal magnético topológico hecho de cobalto, estaño y azufre con la fórmula química3sn2venir2. Los experimentos han demostrado que estas estructuras se comportan como diodos conmutables, lo que significa que la corriente eléctrica viaja más fácilmente en una dirección que en la otra.
Los dispositivos electrónicos construidos con formas tridimensionales complejas pueden ser más pequeños, más eficientes y más potentes que los dispositivos planos actuales. A pesar de este potencial, los investigadores han tenido medios limitados para crear tales estructuras. Los métodos de fabricación existentes a menudo limitan los materiales que se pueden utilizar y pueden comprometer la calidad del dispositivo final.
Corte de precisión con haces de iones enfocados
En un nuevo estudio, publicado Nanotecnología de la naturalezaLos investigadores abordaron estos desafíos utilizando un haz de iones enfocado capaz de cortar con una precisión submicrónica. Este nivel de control permite, en principio, la fabricación de dispositivos tridimensionales a partir de casi cualquier material cristalino. El proceso es similar a la escultura, donde se retira cuidadosamente el material de un bloque sólido hasta lograr la forma deseada.
Para demostrar las capacidades del método, el equipo fabricó nanodispositivos helicoidales de Magnetic Crystal Company.3sn2venir2. Basándose en las propiedades conocidas de este material, esperaban que la geometría retorcida produjera un efecto de diodo especial conocido como transporte eléctrico no recíproco, impulsado por la forma quiral a nanoescala. Los experimentos confirmaron esta predicción. La corriente eléctrica fluye más fácilmente en una dirección y el efecto se puede revertir cambiando la magnetización o cambiando la dirección de la hélice. Los investigadores también observaron interacciones inversas, donde fuertes pulsos eléctricos pueden revertir la magnetización de la estructura. Los diodos son componentes esenciales de la electrónica moderna y se utilizan en la conversión CA/CC, procesamiento de señales y dispositivos LED.
Cómo la forma controla la velocidad de los electrones
Al comparar hélices de diferentes tamaños y medir su comportamiento a diferentes temperaturas, los investigadores rastrearon el efecto del diodo hasta la dispersión desigual de los electrones a lo largo de las paredes quirales curvas del dispositivo. Estos resultados muestran que la forma física de un material puede afectar directamente la forma en que la electricidad fluye a través de él. Los resultados sugieren que la geometría en sí misma puede usarse como herramienta de diseño, permitiendo componentes de bajo consumo y con forma diseñada para futuras tecnologías de memoria, lógica y detección.
Según Max Birch, primer autor del estudio, “al tratar la geometría como una fuente de ruptura de simetría a la par de las propiedades intrínsecas del material, podemos diseñar la reciprocidad eléctrica a nivel del dispositivo. Nuestro método de nanoescultura con haz de iones enfocado recientemente desarrollado abre un estudio integral de cómo se pueden usar tres dispositivos eléctricos para doblar realmente las funciones de los dispositivos”.
Yoshinori Tokura, que dirige el grupo de investigación, añadió: “En términos más generales, este enfoque permite el diseño de dispositivos que combinan estados electrónicos topológicos o fuertemente correlacionados con curvatura diseñada en el régimen de transporte balístico o hidrodinámico. La física de materiales y la nanofabricación apuntan al rendimiento de la memoria, al rendimiento de la memoria y a las tecnologías de detección de impactos”.
