Electrones atrapados al doblar la curva – Física Mundial

Electrones atrapados al doblar la curva – Física Mundial

Marca de tiempo: 6 de noviembre de 2023 10:00 a. M.

Gráficos que muestran el flujo suave de corrientes de fotocorriente alrededor de una estructura microscópica con forma de ala de avión. Para comparar, se muestran varias siluetas de un avión despegando.
Siga el flujo: Gráficos que muestran el flujo suave de líneas de fotocorriente alrededor de una estructura microscópica con forma de ala de avión. Este electrofoil (arriba a la izquierda) permite contorsionar, comprimir y expandir las líneas de fotocorriente de la misma manera que las alas de un avión (mostradas en siluetas a la derecha) contorsionan, comprimen y expanden el flujo de aire. (Cortesía: Laboratorio UCR/QMO)

Inspirándose en el flujo de aire alrededor de las alas de un avión, investigadores estadounidenses han fotografiado por primera vez electrones fotoexcitados fluyendo alrededor de curvas cerradas. Debido a que estas curvaturas se encuentran a menudo en circuitos optoelectrónicos integrados, la observación de las “líneas de corriente” de los electrones podría conducir a mejoras en el diseño de circuitos.

Hace más de 80 años, los físicos William Shockley y Simon Ramo demostraron teóricamente que cuando los electrones viajan alrededor de curvas, sus líneas de corriente se comprimen localmente, produciendo calor. Sin embargo, hasta ahora nadie había medido este efecto directamente porque es muy difícil observar las líneas de corriente de las fotocorrientes de electrones (es decir, corrientes eléctricas inducidas por la luz) a través de un dispositivo en funcionamiento.

En el nuevo trabajo, que se describe en el Actas de la Academia Nacional de Ciencias, investigadores dirigidos por físicos Nathaniel Gabor y david mayes de las Universidad de California, Riverside construyeron un dispositivo de heteroestructura micromagnética hecho de una capa de platino sobre un sustrato de granate de itrio y hierro (YIG) y lo colocaron en un campo magnético giratorio. Luego dirigieron un rayo láser hacia el YIG, lo que provocó que el dispositivo se calentara y desencadenara un fenómeno conocido como efecto foto-Nernst. Es este efecto el que genera la fotocorriente.

Observando el patrón general de líneas de corriente.

Al cambiar la dirección del campo magnético externo, el equipo "inyecta la corriente de tal manera que no sólo controlamos la ubicación de su fuente, sino también su dirección", explica Mayes. Es más, añade, “resulta que cuando se mide la respuesta electrónica y se hace esto una y otra vez, se termina observando el patrón general de líneas de corriente”.

Para demostrar el poder de su técnica, los investigadores repitieron los experimentos en un dispositivo modificado llamado electrofoil que les permitió contorsionar, comprimir y expandir las líneas de fotocorriente de la misma manera que las alas de un avión contorsionan, comprimen y expanden el flujo de aire. En ambos escenarios, las líneas de corriente representan la dirección del flujo que produce la mayor respuesta en cada punto, como lo predice el teorema de Shockley y Ramo.

"A finales de la década de 1930, estos dos eminentes físicos se dieron cuenta de que una carga libre en un dispositivo no tiene que llegar a un electrodo para inducir una respuesta eléctrica", dice Mayes. Mundo de la física. “En cambio, el movimiento de las cargas libres afectará a todas las demás cargas del dispositivo debido a la fuerza de Coulomb.

“Shockley y Ramo pudieron demostrar que las líneas de corriente no sólo ilustran la dirección de corriente 'preferida' para el dispositivo, sino que también representan el patrón de flujo de corriente a través de él, como si simplemente hubiéramos polarizado un extremo del dispositivo y conectado a tierra el otro."

Evitar puntos calientes

Gabor señala que poder determinar dónde se comprimen las líneas de flujo de corriente en un dispositivo podría ayudar a los diseñadores de circuitos a evitar la creación de puntos calientes locales. "Los resultados de nuestro estudio también sugieren que no debería haber curvaturas pronunciadas en el circuito eléctrico", afirma, y ​​añade que la curvatura gradual de los cables "no es lo último en este momento".

Los investigadores ahora están explorando formas de aumentar la resolución de su técnica y al mismo tiempo probar nuevos dispositivos y materiales. En particular, les gustaría medir líneas de corriente en dispositivos configurados con geometrías como una "válvula Tesla", que restringe el flujo de electrones en una dirección.

"Nuestra herramienta de medición es una forma poderosa de visualizar y caracterizar dispositivos optoelectrónicos de flujo de carga", dice Gabor. "Esperamos avanzar nuestras ideas hacia nuevos materiales emergentes que incluyan tanto efectos magnéticos similares a los de Nernst como un comportamiento de flujo de corriente no convencional".

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