Un nuevo método de producción de cristales ultrafinos podría mejorar las computadoras cuánticas y la electrónica flexible

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En un estudio publicado en Materiales de la naturalezaCientíficos de la Universidad de California, Irvine, describen un nuevo método para fabricar cristales muy finos del elemento bismuto, un proceso que podría hacer que la fabricación de productos electrónicos flexibles y baratos sea una realidad cotidiana.

«El bismuto ha fascinado a los científicos durante más de cien años debido a su bajo punto de fusión y sus propiedades electrónicas únicas», dijo Javier Sánchez-Yamagishi, profesor asistente de física y astronomía en UC Irvine y coautor del estudio. «Hemos desarrollado un nuevo método para fabricar cristales muy finos a partir de materiales como el bismuto y, en el proceso, revelar comportamientos electrónicos ocultos de las superficies metálicas».

Las láminas de bismuto que fabricó el equipo tienen sólo unos pocos nanómetros de espesor. Sánchez-Yamagishi explicó cómo los teóricos predijeron que el bismuto contiene estados electrónicos especiales que le permiten volverse magnético cuando la electricidad fluye a través de él, algo esencial para los dispositivos electrónicos cuánticos basados ​​en el giro magnético de los electrones.

Uno de los comportamientos ocultos observados por el equipo son las llamadas oscilaciones cuánticas que se originan en las superficies de los cristales. «Las oscilaciones cuánticas surgen del movimiento de un electrón en un campo magnético», dijo Laisi Chen, candidata a doctorado en física y astronomía en UC Irvine y una de las autoras principales del artículo. “Si el electrón puede completar una órbita completa alrededor de un campo magnético, puede exhibir efectos que son importantes para el desempeño de la electrónica. Las oscilaciones cuánticas se descubrieron por primera vez en el bismuto en la década de 1930, pero nunca se habían observado en cristales de bismuto de espesor nanométrico”.

Amy Wu, candidata a doctorado en física en el laboratorio de Sánchez-Yamagishi, comparó el nuevo método del equipo con una prensa de tortillas. Para fabricar láminas ultrafinas de bismuto, explicó Wu, tuvieron que exprimir el bismuto entre dos placas calientes. Para que las láminas fueran tan planas, tuvieron que utilizar placas de moldeo que son perfectamente lisas a nivel atómico, lo que significa que no hay hendiduras microscópicas ni otras imperfecciones en la superficie. «Así que hicimos una especie de quesadilla o panini donde el bismuto es el relleno de queso y las tortillas son las superficies atómicamente planas», dijo Wu.

«Hubo un momento de nerviosismo cuando pasamos más de un año produciendo estos hermosos cristales finos, pero no teníamos idea de si sus propiedades eléctricas serían extraordinarias», dijo Sánchez-Yamagishi. «Pero cuando enfriamos el dispositivo en nuestro laboratorio, nos sorprendió observar oscilaciones cuánticas, que nunca antes se habían observado en películas delgadas de bismuto».

«La compresión es una técnica de fabricación muy común que se utiliza para fabricar materiales domésticos comunes, como el papel de aluminio, pero no se usa comúnmente para fabricar materiales electrónicos como los de las computadoras», agregó Sánchez-Yamagishi. «Creemos que nuestro método será generalizable a otros materiales, como el estaño, el selenio, el telurio y aleaciones relacionadas con puntos de fusión bajos, y podría ser interesante explorar futuros circuitos electrónicos flexibles».

A continuación, el equipo quiere explorar otras formas en que los métodos de moldeo por inyección y compresión podrían usarse para fabricar los próximos chips de computadora para teléfonos o tabletas.

«Los nuevos miembros de nuestro equipo aportan ideas interesantes a este proyecto y estamos trabajando en nuevas técnicas para obtener un mayor control sobre la forma y el grosor de los cristales de bismuto cultivados», dijo Chen. «Esto simplificará la forma en que fabricamos dispositivos y nos acercará un paso más a la producción en masa».

Referencia: Chen L, Wu AX, Tulu N, et al. Transporte electrónico excepcional y oscilaciones cuánticas en finos cristales de bismuto cultivados dentro de materiales de van der Waals. Materiales de la naturaleza. 2024. doi: 10.1038/s41563-024-01894-0

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