7 may. 2019

Nuevo truco cuántico sin confinamiento de electrones

A la hora de diseñar nanoestructuras el confinamiento cuántico solo permite ciertos niveles de energía para los electrones, pero investigadores de IMDEA Nanociencia y otros centros españoles han observado por primera vez un patrón de energía de electrones en un sistema que no los confina. El avance podría llevar a nuevas vías para modificar las propiedades de la superficie de los materiales.

La superficie de cobre decorada con moléculas orgánicas difracta los electrones en tres posibles direcciones en el plano. / Alberto Martín.



Un grupo de investigación de IMDEA Nanociencia, la Universidad Autónoma de Madrid y el Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC) ha encontrado por primera vez evidencia experimental de que redes unidimensionales de periodicidad nanométrica pueden interactuar con los electrones de un gas bidimensional, separando espacialmente sus diferentes longitudes de onda mediante un proceso llamado difracción de Bragg.

Este fenómeno es conocido para la propagación de ondas en general y es el responsable de la coloración irisada que se observa al mirar la superficie de un CD con luz visible. Debido a la dualidad onda-corpúsculo de la mecánica cuántica propuesta por De Broglie en 1924, los electrones también presentan comportamiento ondulatorio y, por tanto, fenómenos de difracción.

El estudio abre nuevas vías para fabricar dispositivos y materiales con efectos cuánticos sin necesidad de confinar a los electrones

De hecho, la observación de que los electrones libres de baja energía sufren procesos de difracción al interactuar con redes ordenadas de átomos en las superficies de los sólidos fue la primera evidencia experimental de la dualidad onda-corpúsculo.

Además, los electrones bidimensionales ligados a la superficie de los sólidos presentan una fenomenología ondulatoria que pudo ser directamente visualizada por primera vez en la década de los 90 mediante la aplicación de técnicas de microscopía de efecto túnel. Sin embargo, el fenómeno de la difracción de Bragg en estos sistemas no había sido observado hasta la fecha.

Moléculas orgánicas autoensambladas sobre cobre

En su estudio, que aparece hoy en portada de la revista Physical Review Letters, el grupo liderado por Roberto Otero ha construido la red de difracción de periodicidad nanométrica mediante el autoensamblaje de moléculas orgánicas en una superficie de cobre. La observación, mediante microscopía de efecto túnel a baja temperatura, de las ondas estacionarias producidas por la interferencia entre los electrones de superficie que inciden sobre la red de difracción y los que son reflejados por ella, les ha permitido encontrar evidencia experimental de los procesos de difracción de Bragg.

Aún más, los investigadores han encontrado que sus resultados no sólo reflejan el fenómeno de difracción, sino que además los electrones prefieren interactuar con la red de manera que inviertan la dirección incidente. Al considerar estas dos condiciones simultáneamente, los investigadores argumentan que se produce una discretización de los niveles de energía de los electrones similar al que se produce cuando los electrones se encuentran espacialmente confinados.

Este proceso de discretización de los niveles energéticos por confinamiento es una de las características principales de la mecánica cuántica que encuentra múltiples aplicaciones en la Nanociencia y la Nanotecnología, y actualmente permite controlar las propiedades ópticas y electrónicas de sistemas nanométricos. Los resultados descritos en el artículo, por tanto, pueden abrir nuevas vías para fabricar dispositivos y materiales con efectos cuánticos, sin necesidad de confinar a los electrones.

Referencia bibliográfica:
A. Martín-Jiménez, J. M. Gallego, R. Miranda and R. Otero. "Discrete Electronic Subbands due to Bragg Scattering at Molecular Edges". Physical Review Letters 122, 176801 (2019). https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.176801


Fuente: IMDEA Nanociencia

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