Localización de Anderson y defectos estructurales en materiales 2D

La localización de Anderson es un concepto en física que describe cómo una onda, como una onda de electrones, se queda atrapada en el espacio debido al desorden. Esta idea es clave para entender cómo los materiales conducen electricidad, especialmente en materiales no cristalinos o desordenados.

La teoría original propuesta por Anderson se centraba en cómo los cambios aleatorios en la energía de un material podían llevar a este efecto de localización. Sin embargo, estudios recientes han mostrado que en materiales bidimensionales (2D), como ciertas formas de carbono, otro tipo de desorden llamado desorden por defectos estructurales también juega un rol importante. Este tipo de desorden se refiere a irregularidades en la estructura del material, como átomos que faltan o áreas donde los átomos no están en sus lugares habituales.

Al estudiar ambos tipos de desorden, los investigadores han encontrado que incluso un pequeño número de defectos estructurales puede mejorar mucho la localización de las Funciones de Onda. Cuando aumenta el número de estos defectos, comienzan a formarse Estados Localizados dentro de lo que antes era un estado extendido, generando una serie de fases mixtas antes de alcanzar la localización total. La localización total puede ocurrir con alrededor del 10% de desorden por defectos estructurales, lo cual puede suceder sin una cantidad significativa de desorden de Anderson presente.

La interacción entre estos dos tipos de desorden ofrece una comprensión más profunda de cómo ocurre la localización en materiales amorfos 2D y muestra el potencial para ajustar sus propiedades eléctricas.

#Antecedentes Teóricos

El modelo de Anderson describe cómo sucede la localización de ondas cuando hay un cierto nivel de desorden en un material. Se centra en cómo los cambios aleatorios de energía pueden llevar a una transición de un estado deslocalizado, donde los electrones pueden moverse libremente, a un estado localizado, donde los electrones quedan atrapados.

Esta transición está relacionada con el concepto de un valor crítico, que refleja el desorden en el material. Aunque se han utilizado varios métodos para identificar esta transición, no ha habido un acuerdo completo sobre el valor exacto. Sin embargo, muchos experimentos en diferentes campos como microondas, acústica y otros materiales han respaldado la idea de que el desorden puede cambiar drásticamente cómo se comportan las ondas dentro de un material.

Entender la naturaleza del desorden es vital para la ciencia de materiales, especialmente en la búsqueda de nuevos estados de la materia, como los estados cuánticos topológicos. Experimentos recientes han mostrado que los materiales amorfos 2D, como una sola capa de carbono, ofrecen una excelente oportunidad para estudiar cómo las propiedades estructurales se relacionan con la Conductividad eléctrica.

Los investigadores han encontrado que en carbono amorfo 2D, ajustar el nivel de desorden puede cambiar la conductividad eléctrica en una cantidad enorme, hasta 9 órdenes de magnitud. Esto resalta la importancia de ambos tipos de desorden para determinar qué tan bien conducen electricidad los materiales.

#Defectos Estructurales en Materiales

Los defectos estructurales en los materiales pueden incluir varias irregularidades que interrumpen el arreglo regular de los átomos. Estos pueden ser agujeros atómicos, donde falta un átomo, o áreas contaminadas donde hay átomos extranjeros. Aunque el modelo original de Anderson considera algo de desorden, no es suficiente cuando se aplica a materiales con defectos estructurales.

Los materiales bidimensionales, especialmente aquellos creados a través de métodos experimentales avanzados, a menudo contienen este tipo de defectos. En la nueva investigación, se propone un modelo que combina tanto el desorden de Anderson como el desorden por defectos estructurales.

En este modelo, se introducen dos parámetros: uno para el desorden tradicional de Anderson y otro para los defectos estructurales. Al estudiar estos juntos, los investigadores pueden simular cómo se localizan las funciones de onda en respuesta a ambos tipos de desorden.

#Resultados de la Investigación

Los cálculos numéricos revelan que ambos tipos de desorden pueden causar la localización de funciones de onda. Un diagrama ilustra la interacción entre estos dos mecanismos, mostrando cómo pueden trabajar juntos o en contra.

Para cuantificar cómo se comportan las funciones de onda, los investigadores calcularon un número de ocupación para cada sitio en el material. Esto indica dónde es más probable encontrar electrones. En un estado extendido, muchos sitios tienen electrones presentes, mientras que en un estado localizado, los electrones están confinados a un solo sitio.

La investigación también examina la relación de participación normalizada (NPR), que ayuda a medir qué tan localizado está un estado. Para estados extendidos, la NPR se mantiene alta, mientras que para estados localizados, la NPR cae a cero. Al trazar los valores de NPR en diferentes condiciones, los investigadores pueden ver los límites entre las fases extendidas, de cruce y localizadas.

Lo interesante de estos hallazgos es que incluso un pequeño porcentaje de defectos estructurales puede llevar a una localización total, mientras que el desorden tradicional de Anderson conduce a una transición más gradual.

#Conductividad y Desorden

El estudio de la conductividad eléctrica bajo diferentes condiciones de desorden muestra que ambos tipos de desorden afectan la conductividad de maneras complejas. Aunque generalmente se espera que un aumento del desorden reduzca la conductividad, la relación no es tan simple.

Los electrones localizados pueden seguir contribuyendo a la conductividad a través de mecanismos de salto, lo que significa que un aumento en los sitios prohibidos puede no reducir inmediatamente la conductividad. Solo cuando hay suficientes de estos sitios para bloquear todos los posibles caminos para el movimiento de electrones es cuando ocurre una reducción significativa de la conductividad.

La densidad de estados cerca de la energía de Fermi, que es importante para la conductividad eléctrica, disminuye más rápidamente con el aumento del desorden por defectos estructurales que con el desorden de Anderson. Las muestras reales a menudo presentan muchos agujeros estructurales y áreas contaminadas, que corresponden a cambios en la conductividad que pueden describirse mediante el modelo de salto de rango variable.

#Implicaciones y Futuras Investigaciones

Esta investigación sugiere que al introducir solo unos pocos defectos estructurales, se puede mejorar significativamente la localización de las funciones de onda y controlar la conductividad eléctrica de materiales 2D.

Los hallazgos implican que los investigadores pueden manipular estratégicamente estos dos tipos de desorden para lograr propiedades deseadas en los materiales, lo cual podría ser beneficioso para desarrollar nuevas tecnologías.

A medida que se desarrollen métodos más avanzados para mejorar la calidad de los materiales amorfos 2D, entender cómo estos defectos influyen en las propiedades del material se volverá cada vez más relevante. Estudios futuros pueden explorar los efectos de los sitios prohibidos en otras propiedades y cómo estos conceptos se traducen a materiales tridimensionales.

En conclusión, la extensión del modelo de Anderson para tener en cuenta el desorden por defectos estructurales abre nuevas vías para la investigación en ciencia de materiales. La capacidad de manipular el desorden en los materiales allana el camino para la innovación en varias aplicaciones, desde la electrónica hasta nuevos estados de la materia. El trabajo alienta una mayor investigación en cómo los defectos estructurales pueden interactuar con diferentes fenómenos físicos en materiales no cristalinos.