Espintrónica: el telururo de germanio muestra un comportamiento inusual

Debido a su acción Raspa masiva, el telururo de germanio (GeTe) es un buen candidato para su uso en dispositivos espintrónicos. Un equipo de HZB ha descubierto otro fenómeno fascinante en GeTe. Para ello, los investigadores examinaron la respuesta electrónica a la excitación térmica de las muestras. Sorprendentemente, la relajación que siguió fue muy diferente de la relajación que se produjo en los metaloides convencionales. Al controlar específicamente los detalles de la estructura electrónica, se pueden desarrollar nuevas funciones en esta clase de materiales.

En las últimas décadas, la complejidad de las tecnologías basadas en silicio ha aumentado exponencialmente, impulsada por la creciente demanda de dispositivos cada vez más potentes. Sin embargo, la era del silicio está llegando a su fin. Con una mayor miniaturización, los efectos cuantitativos no deseados y la pérdida de calor se están convirtiendo en un obstáculo cada vez mayor. El progreso adicional requerirá nuevos materiales que aprovechen los efectos cuánticos en lugar de evitarlos. Los componentes espintrónicos, que utilizan el espín de los electrones en lugar de su carga, son componentes más eficientes energéticamente con tiempos de conmutación muy mejorados y una funcionalidad completamente nueva.

Acoplamiento espín-órbita como requisito previo

Los candidatos para dispositivos espintrónicos son materiales semiconductores en los que los espines están unidos al movimiento orbital de los electrones. Este llamado efecto Rashba se produce en una serie de semiconductores no magnéticos y compuestos semimetálicos, y hace posible, entre otras cosas, manipular el espín del material mediante un campo eléctrico. El telururo de germanio (GeTe) exhibe uno de los mayores efectos Raspa observados en los semiconductores.

Pulso de calor, luego análisis en BESSY II

Sin embargo, hasta ahora, GeTe solo se ha estudiado en equilibrio térmico. Ahora, un equipo dirigido por el físico HZB Jaime-Sánchez-Barriga ha logrado por primera vez acceder específicamente a un estado de no equilibrio en muestras de GeTe en BESSY II y examinar en detalle cómo cambia el equilibrio en los materiales en una milmillonésima de segundo (10 )^-12 Segundos). Al hacerlo, los físicos se encontraron con un fenómeno nuevo e inesperado.

Primero, la muestra se excitó con un pulso infrarrojo y luego se midió a alta resolución usando espectroscopía de emisión de luz en ángulo (tr-ARPES). “Por primera vez pudimos observar y caracterizar todas las fases de excitación, calentamiento y relajación durante períodos de tiempo muy cortos”, dice Sánchez-Barriga.

fenómeno inesperado

El hallazgo más importante: “Los datos muestran que el equilibrio térmico entre el sistema de electrones y la red cristalina se ha restaurado de una manera muy poco convencional y no intuitiva”, explica uno de los autores principales, Oliver Clark.

En los sistemas metálicos simples, el equilibrio térmico se establece principalmente a través de la interacción entre los electrones y entre los electrones y las vibraciones de la red en el cristal (fonones). Este proceso se ralentiza cada vez más a medida que bajan las temperaturas. En el caso del telururo de germanio, los físicos observaron el comportamiento opuesto: cuanto menor era la temperatura de la red de la muestra, más rápido se establecía el equilibrio térmico después de la excitación con un pulso de calor. “Fue muy sorprendente”, dice Sánchez Barriga.

Los cálculos ayudan con la interpretación.

Usando cálculos teóricos como parte del enfoque de Boltzmann, realizado por un equipo de la Universidad Técnica de Nanyang, pudieron explicar los procesos microscópicos básicos y distinguir tres procesos térmicos diferentes: interacciones entre electrones dentro de la misma banda, en diferentes bandas y electrones con fonones. .

Nuevos trabajos imaginables

La interacción entre los electrones parece dominar la dinámica y se vuelve notablemente más rápida al disminuir la temperatura de la red. “Esto puede explicarse por el efecto de la escisión de Raspa en la fuerza de las interacciones electrónicas subyacentes. Este comportamiento se aplica a todos los semiconductores de Raspa”, dice Sánchez Barriga: “Los resultados actuales son importantes para futuras aplicaciones de semiconductores de Raspa y excitación en ultrarrápidos”. electrónica.”