Hacia un nuevo tipo de electrónica en diamante, la “valletrónica”

Dibujo20130724 Generation of valley-polarized electrons at 77 K

No hay dos sin tres. La electrónica y la espintrónica tienen compañía, la “valletrónica” (valleytronics), basada en los “valles” del espectro de energía de la banda de conducción que aparecen en un cristal que posee diferentes ejes de simetría, en lugar de la carga eléctrica o el espín de los electrones. Estos “valles” pueden atrapar electrones en momento lineal (no en posición), es decir, canalizan el flujo de carga. Cuando hay dos o más “valles” en la banda de conducción se pueden realizar dispositivos que controlen el flujo de carga atrapado en ellos. Se publica en Nature Materials el primer artículo que ha logrado controlar este fenómeno (la generación, transporte en distancias macroscópicas y detección de electrones “valle” de polarización) gracias a que en diamante los tiempos de relajación son grandes, unos 300 ns a una temperatura de 77 K. La clave del hallazgo es la ultrapureza del diamante utilizado (menos de 10-13 defectos extrínsecos por cm³). Aunque la “valletrónica” acaba de nacer y no sabemos qué futuro tendrá (ni siquiera si llegará a adulta), este tipo de investigación me parece muy sugerente. Nos lo cuenta Christoph E. Nebel, “Valleytronics: Electrons dance in diamond,” Nature Materials 12: 690–691, 23 Jul 2013, que se hace eco del artículo técnico de Jan Isberg et al., “Generation, transport and detection of valley-polarized electrons in diamond,” Nature Materials 12: 760–764, 14 Jul 2013.

Dibujo20130724 Low-field transport of valley-polarized electrons at 77 K

La estructura de la banda de conducción del diamante es similar a la del silicio, con seis “valles” orientados a lo largo de los ejes {100}. Los electrones en estos valles tienen una masa efectiva longitudinal de 1,15 m y una transversal de 0,22 m (donde m es la masa del electrón), lo que genera una anisotropía fuerte en la propagación del electrón en diferentes orientaciones cristalinas. El intercambio de fonones (vibraciones de la red cristalina) entre los “valles” es llamado dispersión o scattering en inglés. En el diamante la dispersión de fonones entre valles colocados en ejes ortogonales (f-scattering) requiere una energía de 120 meV (valor grande comparado con los 40 meV para el silicio); la dispersión de fonones entre valles colocados en el mismo eje (g-scattering) requiere más energía, unos 165 meV; pero también hay dispersión de fonones dentro de un mismo valle (ac-scattering). Cada uno de estos procesos de dispersión tiene asociada una escala de tiempo diferente. A baja temperatura, unos 77 K, se estima mediante simulaciones de Montecarlo que los eventos de dispersión-f, dispersión-g y dispersión-ac tienen escalas de tiempo de 300 ns, 1 ms y 1 ps (tres escalas de tiempo completamente diferentes). Como el intervalo de tiempo asociado a la recombinación entre bandas es de unos microsegundos, la mobilidad de los electrones está dominada  a 77 K por la dispersión-f (en silicio se han observado los electrones “valle” pero a una temperatura mucho más baja, la del helio líquido).

Dibujo20130724 Hall angle detection of polarized electron beams.

El nuevo artículo ha observado electrones polarizados en los “valles” de la banda de conducción en diamante gracias al gran intervalo de relación asociado a la dispersión-f (unos 300 ns). Ello ha permitido propagar estos electrones “valle” en distancias macroscópicas (unos 0,7 mm) y su posterior detección. Estos resultados demuestran la viabilidad de un nuevo tipo de “electrónica” basada en el control de los electrones “valle” utilizando diamantes ultrapuros (en la fotografía de abajo la fina capa de cristal de diamante está montada en un criostato semitransparente y se muestra el contacto eléctrico en malla de Ti/Al).

Dibujo20130724 diamond sample equipped with semitransparent contact

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