Los cristales ultrafinos abren nuevas posibilidades en electrónica y computación cuántica

Los científicos de UC Irvine han introducido un método innovador para producir cristales de bismuto de espesor nanométrico, mejorando la fabricación electrónica flexible y descubriendo nuevas propiedades electrónicas críticas para las tecnologías cuánticas. Crédito: SciTechDaily.com

Investigadores de UC Irvine han desarrollado un material de bismuto ultrafino diseñado para su uso en tecnologías flexibles.

En un estudio publicado en Materiales de la naturalezaCientíficos de la Universidad de California en Irvine describen un nuevo método para producir cristales muy finos del elemento bismuto, un proceso que puede ayudar a que la fabricación de productos electrónicos flexibles y baratos sea una realidad diaria.

«El bismuto ha fascinado a los científicos durante más de cien años debido a su bajo punto de fusión y sus propiedades electrónicas únicas», afirmó Javier Sánchez-Yamagishi, profesor asistente de física y astronomía en UC Irvine y coautor del estudio. «Hemos desarrollado un nuevo método para fabricar cristales muy finos de materiales como el bismuto, y en el proceso revelamos comportamientos electrónicos ocultos de las superficies metálicas».

Las láminas de bismuto que fabricó el equipo tienen sólo unos pocos nanómetros de espesor. Sánchez-Yamagishi explicó cómo los teóricos predijeron que el bismuto contiene estados electrónicos especiales que le permiten volverse magnético cuando la electricidad pasa a través de él, algo esencial para los dispositivos electrónicos cuánticos basados ​​en el espín magnético de los electrones.

Uno de los comportamientos ocultos observados por el equipo son las llamadas oscilaciones cuánticas que se originan en las superficies de los cristales. «Las oscilaciones cuánticas surgen del movimiento de un electrón en un campo magnético», dijo Laisi Chen, Ph.D. Candidato en física y astronomía en UC Irvine y uno de los autores principales del artículo. «Si el electrón puede completar una órbita completa alrededor de un campo magnético, puede mostrar efectos que son importantes para el rendimiento de la electrónica. Las oscilaciones cuánticas se descubrieron por primera vez en el bismuto en la década de 1930, pero nunca se habían observado en cristales de bismuto de espesor nanométrico. «.

Técnicas de fabricación innovadoras

Amy Wu, Ph.D. candidato en física en el laboratorio de Sánchez-Yamagishi, comparó el nuevo método del equipo con una prensa de tortillas. Para fabricar láminas ultrafinas de bismuto, explicó Wu, tuvieron que fusionar el bismuto entre dos placas calientes. Para que las láminas fueran tan planas, tuvieron que utilizar placas de moldeo que son perfectamente lisas a nivel atómico, lo que significa que no hay hendiduras microscópicas ni otras imperfecciones en la superficie. «Luego hicimos una especie de quesadilla o panini donde el bismuto es el relleno de queso y las tortillas son la parte superior atómicamente plana», dijo Wu.

«Hubo un momento de nerviosismo en el que habíamos pasado más de un año fabricando estos hermosos cristales delgados, pero no teníamos idea de si sus propiedades eléctricas iban a ser extraordinarias», dijo Sánchez-Yamagishi. «Pero cuando enfriamos el dispositivo en nuestro laboratorio, nos sorprendió observar oscilaciones cuánticas que nunca antes se habían observado en películas delgadas de bismuto».

«La compresión es una técnica de fabricación muy común que se utiliza para fabricar materiales domésticos comunes, como el papel de aluminio, pero no se usa comúnmente para fabricar materiales electrónicos como los de las computadoras», agregó Sánchez-Yamagishi. «Creemos que nuestro método se generalizará a otros materiales, como el estaño, el selenio, el telurio y aleaciones relacionadas con puntos de fusión bajos, y puede ser interesante explorarlo en futuros circuitos electrónicos flexibles».

A continuación, el equipo quiere explorar otras formas en que se puedan utilizar los métodos de moldeo por compresión y inyección para fabricar los próximos chips de computadora para teléfonos o tabletas.

«Los nuevos miembros de nuestro equipo aportan ideas interesantes a este proyecto y estamos trabajando en nuevas técnicas para obtener un mayor control sobre la forma y el grosor de los cristales de bismuto cultivados», dijo Chen. «Esto simplificará la forma en que fabricamos los dispositivos y nos acercará un paso más a la producción en masa».

Referencia: «Transporte electrónico extraordinario y oscilaciones cuánticas en finos cristales de bismuto cultivados dentro de materiales de van der Waals» por Laisi Chen, Amy X. Wu, Naol Tulu, Joshua Wang, Adrian Juanson, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Michael T. Pettes, Marshall A. Campbell, Mingjie Xu, Chaitanya A. Gadre, Yinong Zhou, Hangman Chen, Penghui Cao, Luis A. Jauregui, Ruqian Wu, Xiaoqing Pan y Javier D. Sanchez-Yamagishi, 13 de mayo de 2024, Materiales de la naturaleza.
DOI: 10.1038/s41563-024-01894-0

El equipo de investigación incluyó colaboradores de UC Irvine, el Laboratorio Nacional de Los Alamos y el Instituto Nacional de Ciencia de Materiales de Japón. La investigación fue financiada principalmente por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea, con apoyo parcial proveniente del Programa de Semillas del Centro para Materiales Activos y Complejos de UC Irvine, el Centro de Ciencias y la Ingeniería de Investigación de Materiales bajo la Fundación Nacional de Ciencias.