Esquerda:imagem STM mostrando topografia de Na 3 Amostra Bi. Direita:Densidade de estados mostrando um mínimo no ponto E de Dirac D . Crédito:FLEET
Um estudo liderado pela Austrália usa um "truque" de microscópio de tunelamento para mapear a estrutura eletrônica em Na 3 Bi, buscando uma resposta para a mobilidade extremamente alta de elétrons desse material.
Ao estudar o semimetal topológico de Dirac, a equipe descobriu que os efeitos de troca e correlação são cruciais para a velocidade do elétron, e, portanto, mobilidade, e, portanto, para o uso desta classe excitante de materiais na eletrônica de ultra-baixa energia do futuro.
A data, pouco se sabe sobre a dispersão da banda de Na 3 Bi na banda de condução (acima do nível de Fermi), embora tenha havido indícios tentadores de que a velocidade real dos elétrons é muito maior do que as previsões teóricas.
“Nós crescemos filmes finos de Na 3 Bi e investigou sua estrutura de banda por meio de interferência de quasipartículas, "diz a autora principal Dra. Iolanda di Bernardo.
"Nossos cálculos revelaram que, para entender as velocidades experimentais extremamente altas dos portadores de carga, particularmente na banda de condução, efeitos de troca e correlação são cruciais. "
Truques e surpresas inteligentes
Os semimetais Topológicos de Dirac podem ser considerados as contrapartes 3-D do grafeno:em torno do nível de Fermi (onde os elétrons de condução "geralmente" ficam), eles exibem a mesma dispersão de banda linear que o grafeno, o que significa que seus elétrons são virtualmente sem massa.
Esse, naturalmente, se traduz em condutividade extremamente alta, e neste caso, ocorre em todas as três direções no espaço.
Esta dispersão de banda linear foi prevista para Na 3 Bi, mas ainda faltava um mapeamento adequado da banda de condução deste material.
Medir a estrutura da banda de materiais acima do nível de Fermi é, na verdade, não é uma tarefa trivial - principalmente porque os elétrons normalmente não ocupam esses estados.
Uma das poucas maneiras de fazer isso é usando um truque baseado em espectroscopia de tunelamento de varredura:
A forma circular dos contornos de energia constante (mapeados no espaço recíproco) correspondem às seções cônicas de um cone de Dirac. Crédito:FLEET
"Adquirimos 'mapeamentos' da corrente de tunelamento quântico entre a ponta e a amostra em diferentes vieses, "explica Iolanda.
Os derivados desses mapeamentos mostram padrões muito típicos, originado do espalhamento dos elétrons com a desordem na amostra.
Este processo de espalhamento mistura elétrons que estão nos mesmos contornos de energia constante no espaço recíproco, que se torna visível ao obter uma transformação de Fourier dos mapeamentos.
"No nosso caso, isto produziu círculos correspondentes a cortes ao longo de uma dispersão semelhante a um cone de Dirac. "(ver figura).
Esta técnica de análise permitiu à equipe reconstruir a dispersão da banda (linear) no material e extrair as velocidades dos portadores de carga, tanto na valência como nas bandas de condução.
Mas quando essas dispersões de banda medidas foram comparadas com as previsões teóricas, havia um problema:as velocidades medidas para as bandas de condução e valência mais baixas eram significativamente mais altas do que as previsões teóricas.
Contudo, a equipe encontrou uma maneira de melhorar significativamente o acordo entre medição e teoria:
"Usamos modelos cada vez mais complicados para descrever nosso sistema, e descobrimos que, à medida que melhoramos o tratamento do potencial de troca e correlação no modelo (passando dos métodos PBE para GW), poderíamos nos aproximar dos valores experimentais, embora ainda observássemos algumas discrepâncias, "explica Iolanda.
Embora a origem dessas interações inesperadamente fortes ainda não esteja clara, o novo estudo demonstra que os efeitos da correlação de troca são prováveis na base da alta velocidade dos elétrons no Na 3 Bi.
Compreender as mobilidades ultra-altas de portadores em semimetais Topológicos de Dirac é um passo em direção ao sucesso da implementação desses materiais em dispositivos para eletrônicos de baixa energia.
O estudo, intitulado "Importância das interações para a estrutura de bandas do topológico Dirac semimetal Na 3 Bi, "foi publicado em julho de 2020 em Revisão Física B .