Un treball liderat per científics de l'ICMAB-CSIC descobreix que el comportament dels electrons en els òxids de transició, materials proposats per a la futura electrònica, també depèn de la orientació cristal·lina del material. El treball dóna pistes per a la investigació i per aconseguir propietats òptimes en els materials.
Un treball liderat per l'Institut de Ciència de Materials de Barcelona (ICMAB) del CSIC descobreix que el comportament dels electrons en els òxids de transició, materials proposats per a la futura electrònica, depèn no només del nombre d'electrons que es mouen en el pla sinó de la orientació d'aquest pla (que depèn de l'orientació cristal·lina del material). El treball dóna pistes per a la investigació i per aconseguir propietats òptimes en els materials.
Avui en dia, el desenvolupament de l'electrònica convencional -basada essencialment en silici- està arribant a límits fonamentals que obliguen a plantejar-se nous conceptes i materials per aconseguir dispositius cada vegada més eficients i ràpids. Entre els nous materials, els òxids de transició desperten gran interès, ja que tenen propietats que estan absents en materials convencionals.
Gervasi Herranz, científic de l'Institut de Ciència de Materials de Barcelona (ICMAB) del CSIC, explica: "Amb l'actual electrònica de silici, a l'apagar un ordinador, la informació gravada en els circuits de silici, a la SRAM, es volatilitza, i només queda guardat el que s'ha gravat al disc dur. Això suposa temps de processament, de moure (gravar) la informació de la RAM al disc dur o viceversa. Alguns metalls de transició tenen propietats ferroelèctriques i magnètiques que els semiconductors de silici no tenen, i que permetrien guardar la informació instantàniament, en el mateix lloc en el qual es genera, de manera que es guanyaria en rapidesa de processament".
La intercara (de l'anglès 'interfície') entre LaAlO3 i SrTiO3, dos òxids de metalls de transició amb metalls com el titani, és l'exemple més representatiu. El descobriment que aquests materials tenen propietats superconductores i magnètiques, ha augmentat l'interès d'aquests materials per a l'electrònica del futur.
Fins ara se sabia que els electrons en aquests òxids de metalls de transició es mouen en un pla, és a dir, el seu moviment només es pot donar en dues dimensions, i és per això que es parla d'un gas electrònic bidimensional (veure il·lustració a).
Ara, un treball desenvolupat pel grup liderat per Gervasi Herranz, en què han participen investigadors de l'ICMAB-CSIC a Barcelona, l'ESPCI-ParisTech (França) i Oak Ridge National Laboratory (EUA) ha permès establir que el comportament dels electrons en aquests òxids depèn no només del nombre d'electrons que es mouen en el pla sinó, també, de l'orientació d'aquest pla. A baixes temperatures aquests òxids es tornen superconductors, formant parells d'electrons (els anomenats parells de Cooper). La manera en què aquests parells d'electrons es troben lligats depèn tant del nombre d'electrons -modulat per camps elèctrics (il·lustració a) - com de l'orientació cristal·lina que determina l'eix cristal·logràfic al llarg del qual els electrons estan confinats en dues dimensions (il·lustració b).
Canviant l'orientació cristal·lina del material es canvien també les propietats dels electrons
Dit d'una altra manera, "canviant l'orientació cristal•lina del material es canvien també les propietats dels electrons". El descobriment, que s'ha publicat a la revista Nature Communications, dóna pistes per a la investigació i per aconseguir propietats òptimes en els materials.
Una altra repercussió del treball liderat per l'ICMAB-CSIC fa referència a l’espín dels electrons. Més enllà de la càrrega, els electrons tenen un petit moment magnètic, l’espín. La possibilitat d'explotar l’espín dels electrons, en comptes de només la seva càrrega (com es fa en els transistors d'avui dia), desperta gran interès perquè repercuteix en un control més eficient de les propietats dels electrons i en un menor consum d'energia per als dispositius basats en el control de l’espín.
"El nostre treball ofereix noves vies d'investigació de gasos bidimensionals d'electrons en materials òxids, on noves propietats físiques, absents en materials convencionals, poden ser explotades per prefigurar nous conceptes en dispositius electrònics més enllà dels esquemes convencionals.En particular, veiem que el moment magnètic (espín) dels electrons s'orienta segons com es mouen en el pla i de l'orientació cristal·lina d'aquest pla. Això obre la possibilitat d'explotar l’espín dels electrons, en lloc de la seva càrrega, en aquests òxids, d'aquí el seu gran interès."
G. Herranz at al., Engineering two-dimensional superconductivity and Rashba spin–orbit coupling in LaAlO3/SrTiO3 quantum wells by selective orbital occupancy, Nature Communications 2014, doi:10.1038/ncomms7028.