La investigación de cuasipartículas desbloquea nuevos conocimientos sobre el telureno, allanando el camino para la electrónica de próxima generación

Para describir cómo funciona la materia a escalas infinitesimales, los investigadores designan comportamientos colectivos con conceptos únicos, como llamar «bandada» o «murmullo» a un grupo de pájaros que vuelan en sincronía. Los fenómenos a los que se refieren estos conceptos, conocidos como cuasipartículas, podrían ser la clave para las tecnologías de próxima generación.

En un estudio reciente publicado en Avances científicosun equipo de investigadores dirigido por Shengxi Huang, profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática y ciencia de materiales y nanoingeniería en Rice, describe cómo uno de esos tipos de cuasipartículas (polarones) se comporta en telureno, un nanomaterial sintetizado por primera vez en 2017 que se compone de pequeñas cadenas de átomos de telurio y tiene propiedades útiles en detección, electrónica, óptica y dispositivos de energía.

«El telurene exhibe cambios dramáticos en sus propiedades electrónicas y ópticas cuando su espesor se scale back a unos pocos nanómetros en comparación con su forma masiva», dijo Kunyan Zhang, exalumna doctoral de Rice y primera autora del estudio. «Específicamente, estos cambios alteran la forma en que fluye la electricidad y cómo vibra el materials, lo que se remonta a la transformación de los polarones a medida que el telureno se vuelve más delgado».

A polarón Se forma cuando partículas portadoras de carga, como los electrones, interactúan con vibraciones en la purple atómica o molecular de un materials. Think about un teléfono que suena en un auditorio abarrotado durante una conferencia: así como el público desvía colectivamente su mirada hacia la fuente de la interrupción, las vibraciones de la purple ajustan su orientación en respuesta a los portadores de carga, organizándose alrededor de un aura de polarización; el nombre de la cuasipartícula.

Dependiendo de la delgadez de la capa de telureno, la magnitud de esta respuesta (es decir, la extensión del aura) puede variar significativamente. Comprender esta transición de polarón es importante porque revela cómo las interacciones fundamentales entre electrones y vibraciones pueden influir en el comportamiento de los materiales, particularmente en dimensiones bajas.

«Este conocimiento podría informar el diseño de tecnologías avanzadas como dispositivos electrónicos más eficientes o sensores novedosos y ayudarnos a comprender la física de los materiales en las escalas más pequeñas», dijo Huang, autor correspondiente del artículo.

Los investigadores plantearon la hipótesis de que a medida que el telureno pasa de un espesor masivo a nanométrico, los polarones cambian de interacciones de vibración de electrones grandes y extendidas a interacciones más pequeñas y localizadas. Cálculos y mediciones experimentales respaldaron este escenario.

«Analizamos cómo las frecuencias de vibración y los anchos de línea variaban con el espesor y los correlacionamos con cambios en las propiedades del transporte eléctrico, complementados con las distorsiones estructurales observadas en la espectroscopia de absorción de rayos X», dijo Zhang. «Además, desarrollamos una teoría de campo para explicar los efectos del acoplamiento mejorado de vibración de electrones en capas más delgadas».

El enfoque integral del equipo arrojó una visión más profunda que la disponible anteriormente sobre la dinámica de los polarones dependiente del espesor en el telureno. Esto fue posible gracias a las mejoras en las técnicas de investigación avanzadas implementadas y al reciente desarrollo de muestras de telureno de alta calidad.

«Nuestros hallazgos resaltan cómo los polarones impactan el transporte eléctrico y propiedades ópticas en telureno a medida que se vuelve más delgado», dijo Zhang. «En capas más delgadas, los polarones localizan portadores de cargalo que scale back la movilidad de los portadores de carga. Este fenómeno es essential para el diseño de dispositivos modernos, que cada vez son más pequeños y dependen de materiales más delgados para su funcionalidad».

Por un lado, la movilidad reducida de la carga puede limitar la eficiencia de los componentes electrónicos, especialmente para aplicaciones que requieren alta conductividad, como líneas de transmisión de energía o {hardware} informático de alto rendimiento. Por otro lado, este efecto de localización podría guiar el diseño y desarrollo de sensores de alta sensibilidad y dispositivos de cambio de fase, ferroeléctricos, termoeléctricos y ciertos dispositivos cuánticos.

«Nuestro estudio proporciona una base para que materiales de ingeniería como el telureno equilibren estas compensaciones», dijo Huang. «Ofrece información valiosa sobre el diseño de dispositivos más delgados y eficientes, al mismo tiempo que aborda los desafíos que surgen del comportamiento único de los materiales de baja dimensión, lo cual es important para el desarrollo de sensores y electrónica de próxima generación».