Un equipo de ingenieros eléctricos y científicos de materiales de la UCR demostró un avance en la investigación que puede resultar en avances de gran alcance en tecnologías eléctricas, ópticas e informáticas.

El grupo de investigación de la Facultad de Ingeniería Marlan y Rosemary Bourns, dirigido por el distinguido profesor Alexander Balandin, ha demostrado en el laboratorio la función única y práctica de los materiales recién creados, a los que llamaron compuestos cuánticos.

Estos compuestos consisten en pequeños cristales de los llamados « materiales cuánticos de onda de densidad de carga » incorporados dentro de una matriz polimérica (moléculas grandes con estructuras repetitivas). Tras el calentamiento o la exposición a la luz, el material de ondas de densidad de carga sufre una transición de fase que conduce a una respuesta eléctrica inusual de los compuestos.

En comparación con otros materiales que revelan fenómenos cuánticos, los compuestos cuánticos creados por el grupo de Balandin exhibieron funcionalidad en un rango de temperaturas mucho más amplio y tenían una capacidad mucho mayor para almacenar electricidad, lo que les otorga un excelente potencial de utilidad.

Los investigadores de la Universidad de California, Riverside, describen las propiedades únicas en un artículo titulado « Quantum Composites with Charge-Density-Wave Fillers » publicado en la revista Advanced Materials. Los autores principales del artículo son Zahra Barani y Tekwam Geremew, estudiantes graduados de la UCR en el Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de la universidad, quienes sintetizaron y probaron los compuestos. Otra estudiante de posgrado de la UCR, Maedeh Taheri, es coautora y ayudó con las mediciones eléctricas. Balandin y Fariborz Kargar, profesor adjunto asistente y científico del proyecto, son los autores correspondientes.

El término cuántico se refiere a materiales y dispositivos donde los electrones se comportan más como ondas que como partículas. La naturaleza ondulatoria de los electrones puede dar a los materiales propiedades inusuales que se utilizan en una nueva generación de tecnologías informáticas, electrónicas y ópticas.

Se buscan materiales que revelen fenómenos cuánticos para construir computadoras cuánticas que vayan más allá de las limitaciones de la mayoría de la computación que ahora se basa en chips que usan bits binarios para los cálculos. Dichos materiales también se buscan para sensores supersensibles utilizados para diversas aplicaciones electrónicas y ópticas.

Pero los materiales con fenómenos cuánticos tienen grandes inconvenientes, dijo Balandin.

« El problema con estos materiales es que los fenómenos cuánticos son frágiles y, por lo general, solo se observan a temperaturas extremadamente bajas », dijo. « Los defectos e impurezas destruyen la función de onda de los electrones ».

Sorprendentemente, el material de ondas de densidad de carga en los compuestos cuánticos creados por el laboratorio de Balandin mostró una funcionalidad de hasta 50 ºC por encima de la temperatura ambiente. Esta temperatura de transición está cerca de la temperatura de funcionamiento de las computadoras y otros dispositivos electrónicos, que se calientan cuando funcionan. Esta tolerancia a la temperatura abre una posibilidad para una amplia gama de aplicaciones de compuestos cuánticos en electrónica y almacenamiento de energía.

Los investigadores también encontraron que los compuestos cuánticos tienen una constante dieléctrica inusualmente alta, una métrica que caracteriza la capacidad del material para almacenar electricidad. La constante dieléctrica de los compuestos eléctricamente aislantes aumentó en más de dos órdenes de magnitud, lo que permite utilizar condensadores más pequeños y potentes para el almacenamiento de energía.

« Los condensadores de almacenamiento de energía se pueden encontrar en aplicaciones alimentadas por batería », dijo Balandin. « Los capacitores se pueden usar para brindar potencia máxima y proporcionar energía para la memoria de la computadora durante un apagado inesperado. Los capacitores pueden cargarse y descargarse más rápido en comparación con las baterías. Para ampliar el uso de capacitores para el almacenamiento de energía, es necesario aumentar la energía por volumen Nuestro material compuesto cuántico puede ayudar a lograr este objetivo ».

Otra posible aplicación de los compuestos cuánticos es el revestimiento reflectante. El cambio en la constante dieléctrica inducido por el calentamiento, la exposición a la luz o la aplicación de un campo eléctrico puede usarse para cambiar el reflejo de la luz de los vidrios y ventanas revestidos con tales compuestos.

« Esperamos que nuestra capacidad para preservar las fases de condensado cuántico en los materiales de ondas de densidad de carga, incluso dentro de compuestos desordenados e incluso por encima de la temperatura ambiente, pueda cambiar las reglas del juego para muchas aplicaciones. Es un enfoque conceptualmente diferente para ajustar las propiedades de los compuestos. que usamos en la vida cotidiana », añadió Balandin.

El equipo de la UCR colaboró ​​con Megan Stokey, Matthew Hilfiker y Mathias Schubert, de la Universidad de Nebraska, quienes realizaron algunas de las mediciones ópticas, y Nicholas Sesing y Tina Salguero, de la Universidad de Georgia, quienes sintetizaron un material ingrediente utilizado en el preparación de composite en la UCR.