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    Elo perdido entre as novas fases topológicas da matéria descoberta

    O doping Bismut é aumentado de 0% (esquerda) para 2,2% (direita). As medições no BESSY II mostram que isso leva a um aumento dos bandgaps. Crédito:HZB

    Os físicos do BESSY II investigaram uma classe de materiais que apresentam características de isolantes topológicos. Durante esses estudos, eles descobriram uma transição entre duas fases topológicas diferentes, um dos quais é ferroelétrico, significando uma fase no material que exibe polarização elétrica espontânea e pode ser revertida por um campo elétrico externo. Isso também pode levar a novas aplicações, como alternar entre diferentes condutividades.

    Os pesquisadores do HZB estudaram filmes semicondutores cristalinos feitos de chumbo, estanho e liga de selênio (PbSnSe) que foram dopados com pequenas quantidades do elemento bismuto. Esses semicondutores pertencem a uma nova classe de materiais chamados isolantes topológicos, materiais que conduzem muito bem em suas superfícies enquanto se comportam como isolantes internamente. O doping com 1 a 2 por cento de bismuto permitiu que observassem uma nova transição de fase topológica. A amostra muda para uma fase topológica específica que também exibe ferroeletricidade. Isso significa que um campo elétrico externo distorce a estrutura do cristal, Considerando que, inversamente, forças mecânicas na rede podem criar campos elétricos.

    O efeito pode ser usado para desenvolver novas funcionalidades, que também é de interesse para aplicações potenciais. Materiais de mudança de fase ferroelétricos são empregados em DVDs e memória flash, por exemplo. Uma voltagem elétrica desloca átomos no cristal, transformar o material isolante em metálico.

    O doping com bismuto nos filmes de PbSnSe investigados no HZB serviu como uma perturbação. O número de elétrons no bismuto não se encaixa bem no arranjo periódico dos átomos dentro do cristal PbSnSe. "Pequenas mudanças na estrutura atômica dão origem a efeitos fascinantes nesta classe de materiais, "diz o pesquisador do HZB, Dr. Jaime Sánchez-Barriga, investigador principal coordenando o projeto.

    Após análises detalhadas das medições, os pesquisadores concluíram que o doping com bismuto causa uma distorção ferroelétrica na rede que também altera os níveis de energia permitidos dos elétrons. "Este problema nos manteve intrigados durante vários tempos de transmissão até que reproduzimos os resultados científicos em um novo conjunto de amostras, "diz Sánchez-Barriga." As aplicações potenciais podem surgir por meio de fases ferroelétricas - aquelas que não foram pensadas antes. A condução sem perdas de eletricidade em materiais topológicos pode ser ligada e desligada à vontade por pulsos elétricos ou por tensão mecânica, "diz o Prof. Oliver Rader, chefia o departamento de Materiais para Spintrônica Verde na HZB.

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