Científicos confirman comportamiento electrónico unidimensional en cadenas de fósforo

Investigadores del Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie confirmaron, por primera vez, que un material puede exhibir verdaderas propiedades electrónicas unidimensionales. El equipo estudió cadenas cortas de átomos de fósforo que se organizan naturalmente en ángulos específicos sobre una superficie de plata. Mediante técnicas avanzadas de medición y análisis, separaron las señales provenientes de cadenas alineadas en diferentes direcciones, lo que demostró que cada cadena individual actúa como un sistema electrónico unidimensional genuino.

Los hallazgos también indicaron un cambio drástico en el comportamiento dependiendo de la proximidad entre las cadenas. Cuando las cadenas están más separadas, el material se comporta como un semiconductor; sin embargo, si se agrupan, los cálculos predicen que podría comportarse como un metal.

De materiales bidimensionales a uno dimensional

Todos los materiales están compuestos por átomos que se unen en diferentes patrones. En la mayoría de los sólidos, los átomos se conectan tanto dentro de un plano como verticalmente. Algunos elementos, como el carbono, pueden formar grafeno, una red hexagonal bidimensional (2D) en la que los átomos se unen solo dentro de una sola capa. El fósforo también puede formar estructuras 2D estables.

Los materiales bidimensionales han atraído un intenso interés debido a sus inusuales propiedades electrónicas y ópticas. Estudios teóricos sugieren que reducir los materiales aún más a estructuras unidimensionales podría producir efectos electroópticos aún más notables.

Cadenas de fósforo autoensambladas sobre 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 pueden interactuar lateralmente, lo que puede alterar la estructura electrónica y potencialmente interrumpir el comportamiento unidimensional verdadero. Hasta ahora, los investigadores no habían podido medir claramente si los electrones estaban realmente confinados a una sola dimensión.

"A través de una evaluación muy exhaustiva de las mediciones en BESSY II, hemos demostrado que estas cadenas de fósforo realmente tienen una estructura electrónica unidimensional", afirmó el profesor Oliver Rader, jefe del departamento de Spin y Topología en Materiales Cuánticos en HZB.

El doctor Andrei Varykhalov y sus colegas crearon y examinaron primero las cadenas de fósforo utilizando un microscopio de túnel de barrido criogénico (STM). Las imágenes revelaron que las cadenas de fósforo se formaban en tres direcciones distintas sobre la superficie de plata, cada una separada por ángulos de 120 grados.

ARPES revela la verdadera estructura electrónica 1D

"Logramos resultados de muy alta calidad, lo que nos permitió observar ondas estacionarias de electrones formándose entre las cadenas", comentó Varykhalov. El equipo luego mapeó la estructura electrónica utilizando espectroscopía de fotoelectrones con resolución angular (ARPES) en BESSY II, una técnica en la que tienen una amplia experiencia.

Transición de fase de semiconductor a metal predicha

El doctor Maxim Krivenkov y la doctora Maryam Sajedi jugaron un papel clave en la interpretación de los datos. Al separar cuidadosamente las contribuciones de los tres dominios de cadenas orientadas de manera diferente, pudieron aislar la firma electrónica de cada cadena. "Pudimos desenredar las señales de ARPES de estos dominios y así demostrar que estas cadenas de fósforo 1D realmente poseen una estructura electrónica 1D muy distinta", afirmó Krivenkov.

Los cálculos basados en la teoría funcional de la densidad respaldaron los resultados experimentales y sugirieron un cambio importante a medida que las cadenas se acercan entre sí. Se predice que interacciones más fuertes entre cadenas vecinas desencadenarán una transición de fase de semiconductor a metal a medida que aumente la densidad de las cadenas. En otras palabras, si las cadenas forman un arreglo bidimensional apretado, el material se comportaría como un metal.

"Hemos ingresado a un nuevo campo de investigación, un territorio inexplorado donde es probable que se realicen muchos descubrimientos emocionantes", concluyó Varykhalov.

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