Los investigadores de BESSY II han confirmado experimentalmente por primera vez que un material puede exhibir propiedades electrónicas unidimensionales. El equipo estudió cadenas cortas de átomos de fósforo que naturalmente se organizan en ángulos específicos sobre una superficie de plata. Aplicando técnicas avanzadas de medición y análisis, aislaron las señales provenientes de la cadena alineada en diferentes direcciones. Este cuidadoso trabajo demostró que cada cadena individual se comporta como un verdadero sistema electrónico unidimensional.
Los resultados también apuntan a un cambio dramático en el comportamiento dependiendo de qué tan espaciadas estén las cadenas. Cuando las cadenas están más separadas, el material actúa como semiconductor. Sin embargo, si se empaquetan muy juntos, los cálculos predicen que se comportará como un metal.
Una dimensión a partir de elementos bidimensionales.
Todos los materiales están hechos de átomos que se combinan en diferentes patrones. En la mayoría de los sólidos, los átomos están alineados en un plano y verticalmente. Algunos elementos, como el carbono, pueden formar grafeno, una red hexagonal bidimensional (2D) en la que los átomos se unen en una sola capa. El fósforo también es capaz de formar estructuras 2D estables.
Los materiales bidimensionales han despertado un gran interés debido a sus inusuales propiedades electrónicas y ópticas. Los estudios teóricos sugieren que los materiales comprimidos más profundamente en estructuras unidimensionales pueden producir efectos electroópticos más significativos.
Cadenas de fósforo autoensambladas en plata.
En condiciones cuidadosamente controladas, los átomos de fósforo pueden organizarse en líneas cortas y rectas sobre un sustrato de plata. Estructuralmente, estas líneas parecen unidimensionales. Sin embargo, las cadenas vecinas aún pueden interactuar entre sí lateralmente. Estas interacciones laterales pueden cambiar la estructura electrónica y potencialmente alterar el verdadero comportamiento unidimensional. Hasta ahora, los investigadores no habían podido medir claramente si los propios electrones estaban confinados en una única dimensión.
“A través de una evaluación muy exhaustiva de las mediciones en BESSY II, hemos demostrado que estas cadenas de fósforo tienen efectivamente una estructura electrónica unidimensional”, afirmó el profesor Oliver Rader, jefe de Spin y Topología del Departamento de Materiales Cuánticos de HZB.
El Dr. Andrei Varikhalov y sus colegas crearon y examinaron por primera vez cadenas de fósforo utilizando un microscopio de efecto túnel criogénico (STM). Las imágenes revelaron que se formaron cadenas cortas de fósforo a lo largo de la superficie de plata en tres direcciones distintas, cada una separada por un ángulo de 120 grados.
ARPES revela la verdadera estructura electrónica 1D
“Logramos resultados de muy alta calidad, lo que nos permitió observar las ondas estacionarias de electrones creadas dentro de las cadenas”, dijo Varikhalov. Luego, el equipo trazó un mapa de la estructura electrónica utilizando espectroscopía de fotoelectrones con resolución de ángulo (ARPES) en BESSY II, una técnica en la que tienen una amplia experiencia.
Transiciones de fase de semiconductor a metal previstas
El Dr. Maxim Krivenkov y la Dra. Mariam Sajedi desempeñaron un papel clave en la interpretación de los datos. Al separar cuidadosamente las contribuciones de tres dominios de cadena orientados diferentes, pudieron distinguir la firma electrónica de cada cadena. “Pudimos aislar las señales ARPES de estos dominios y así demostrar que estas cadenas de fósforo 1D en realidad poseen una estructura electrónica 1D muy distinta”, dice Krivenkov.
Los cálculos basados en la teoría del funcional de la densidad respaldan los resultados experimentales y sugieren una transición importante a medida que las cadenas se acercan. Se predice que las fuertes interacciones entre cadenas vecinas desencadenarán una transición de fase de semiconductor a metal a medida que aumenta la densidad de la cadena. En otras palabras, si las cadenas forman una matriz bidimensional muy compacta, el material se comportará como un metal.
“Aquí hemos entrado en un nuevo campo de investigación, un territorio inexplorado con potencial para muchos descubrimientos interesantes”, afirmó Varikhalov.
