En esta línea de investigación estudiamos las propiedades electrónicas de sistemas de dimensionalidad reducida. La estructura electrónica de un sólido determina sus propiedades de transporte, ópticas y magnéticas, por lo que su conocimiento es crucial para comprender su comportamiento, tanto desde el punto de vista experimental como teórico. La técnica mejor adaptada para obtener información acerca de la estructura electrónica de un material es la fotoemisión resuelta en ángulo (ARPES). Sin embargo, ARPES es una sonda sensible al orden a largo alcance, ya que proporciona información de la función espectral del sistema, lo que conlleva la necesidad de estudiar materiales bien definidos estructuralmente.

Desde el punto de vista experimental, el papel que ha desempeñado la fotoemisión (ARPES) ha sido crucial, ya que permite determinar experimentalmente los números cuánticos electrónicos relevantes (energía, momento, simetría, espín), y se trata por tanto de la técnica más importante para conocer la estructura de bandas de un sólido cristalino. Los aspectos básicos del proceso de fotoemisión (conservación del momento paralelo, conservación aproximada del momento perpendicular, mecanismos de ensanchamiento de los picos, y predicción, detección y caracterización de los estados de superficie intrínsecos y extrínsecos) son bien conocidos. El gran desarrollo que ha experimentado la técnica en los últimos 20 años utilizarla para abordar la comprensión de materiales complejos en los que se ponen a prueba los conceptos simples que constituyen el armazón de nuestra comprensión de la estructura electrónica de un sólido, que exige estudiar los estados electrónicos próximos al nivel de Fermi, y caracterizar la naturaleza de los electrones que allí se encuentran (densidad espectral, carácter localizado o no, efectos de correlación, etc).

Sistemas estudiados

En los últimos años, hemos asistido al desarrollo de un gran número de materiales avanzados cuya funcionalidad radica en sus propiedades electrónicas, como por ejemplo podríamos encontrar los cupratos superconductores, las manganitas con magnoterresistencia colosal y el amplio grupo de los materiales basados en nanoestructuras. El comportamiento de todos estos sistemas no puede entenderse con la estructura teórica convencional, desarrollada para la comprensión de materiales más simples. Podríamos decir que los electrones de estos nuevos materiales habitan en un mundo diferente, en el que factores como las correlaciones electrónicas, la baja dimensionalidad y el acoplamiento de los electrones con otras excitaciones (como las vibraciones atómicas o las fluctuaciones de espín), definen el comportamiento o función del material a escala macroscópica. Estos sistemas se caracterizan por una elevada complejidad, ya sea en sus estructuras cristalinas o moleculares, en su comportamiento químico (a veces dominado por los defectos) o en sus fenómenos electrónicos elementales. Frecuentemente, se trata de materiales donde la dimensionalidad reducida desempeña un papel importante, bien por su carácter nanoscópico (caso de los materiales nanoestructurados), o bien porque intrínsecamente presentan una estructura cuasibidimensional (como los cupratos superconductures) o cuasiunidimensional (como algunos materiales en que se estabilizan ondas de densidad de carga).

Transiciones de fase metal/aislante

En la actualidad, el estudio del papel de la estructura electrónica en las transiciones de fase bidimensionales es un tema de importancia cada vez mayor. Los conceptos básicos relacionados con las transiciones metal/aislante en tres dimensiones, como el concepto de aislante de Mott, la distorsión de Peierls, la transición de Wilson o la transición de Mott-Hubbard, comienzan a observarse en sistemas 2-D.

Estudiamos las transiciones de fase metal/aislante debidas a la correlación electrónica (en interfases metal/semiconductor). En particular, nos hemos centrado en la formación de una fase aislante Mott a muy baja temperatura y las propiedades de esta fase. Hemos venido trabajando en este tema desde 1996, estudiando las interfases Sn/Ge(111) y Pb/Ge(111) con diferentes técnicas experimentales (ARPES, LEED, STM, SXRD). Nuestro análisis de la evolución de la estructura electrónica del sistema con la temperatura (y de la estructura de la fase de baja temperatura), nos permitieron demostrar que la transición a la fase (3x3) desde temperatura ambiente es del tipo orden-desorden, y no la estabilización de una onda de densidad de carga (CDW, Charge Density Wave), tal y como se había propuesto. Más recientemente hemos estudiado el sistema Sn/Ge(111) a muy baja temperatura, y hemos encontrado una nueva transición de fase no reportada a una fase que identificamos como un aislante de Mott. Para obtener una visión amplia del comportamiento del sistema se han empleado varias técnicas experimentales complementarias como la Difracción de Electrones de Baja Energía (LEED), Microscopia Túnel de Barrido (STM) y Fotoemisión Resuelta en Ángulo de Alta Resolución (HRARPUS).

 

Algunos ejemplos de nuestro trabajo en este área se pueden encontrar en:

 

“Structural origin of the sn 4d core level line shape in Sn/Ge(111)-(3 x 3)”

A. Tejeda, R. Cortes, J. Lobo-Checa, C. Didiot, B. Kierren, D. Malterre, E. G. Michel, and A. Mascaraque

Physical Review Letters 100 ,2 026103 (2008)  DOI: 10.1103/PhysRevLett.100.026103  

En este artículo estudiamos el nivel interno del Sn 4d de la superficies 1/3 ML- (3x3)- Sn/Ge(111) mediante fotoemisión resuelta en ángulo de ultra-alta resolución. A partir de estos datos experimentales se resuelven tres componentes principales en la forma de la línea, que se asignan a cada uno de los tres átomos de Sn que forman la celda unidad. La forma de línea encontrada está de acuerdo con un modelo de estado inicial y de éste se concluye que los dos átomos situados en posiciones abajo dentro de la celda unidad ocupan posiciones no equivalentes. De acuerdo con estos resultados, las imágenes de microscopía túnel muestran de forma directa que estos átomos están a alturas ligeramente diferentes en la mayor parte de la superficie, dando lugar a una estructura (3x3) de átomos inequivalentes. Estos resultados resuelven una larga controversia sobre la interpretación de la forma de línea del Sn 4d que tiene implicaciones también en el estudio de otras superficies.

 

“Observation of a Mott Insulating Ground State for Sn/Ge(111) at Low Temperature”

R. Cortés, C. Didiot, B. Kierre, D. Malterre, A. Tejeda, J. Lobo, E.G. Michel, A. Mascaraque

Physical Review Letters 96, 126103 (2006)

En este artículo analizamos las propiedades del sistema α-Sn/Ge(111) a temperaturas de hasta 5 K. Mediante datos de LEED y STM se demuestra que la fase (3x3) se transforma en una (√3x√3)R30º en la que desaparece la distorsión vertical. Esta transición es completamente reversible. Los datos de Fotoemisión muestran que a la vez que la transición estructural, tiene una transición metal/aislante. La fase √3 se explica como la formación de un aislante Mott de un sistema de red triangular con una banda semillena estrecha. Este es uno de los pocos ejemplos conocidos hasta ahora de la estabilidad de una fase de este tipo de aislante.

 

“Reversible structural phase transitions in semiconductors and metal/semiconductors surfaces”

A. Mascaraque and E. G. Michel

Journal of Physics: Condensed Matter 14, 6005-6035 (2002)

En este trabajo realizamos una revisión de las transiciones de fase estructurales en sistemas bidimensionales, y en particular aquellas que se observan en las superficies de semiconductores. Se trata de sistemas particularmente interesantes, porque en ellos se puede estudiar con más facilidad el carácter metálico de la capa de superficie, y su evolución a lo largo de la transición de fase. Se realiza un análisis detallado de los sistemas físicos más importantes en que tienen lugar este tipo de efectos así como sus características comunes y sus diferencias.

 

Estados electrónicos confinados

Los efectos de confinamiento electrónico son muy importantes a la hora de comprender las propiedades electrónicas de sistemas de dimensiones nanométricas. Cuando alguna de las dimensiones de un objeto alcanza longitudes del orden del nanómetro, las propiedades cuánticas comienzan a dominar, ya que esta escala es del mismo orden de magnitud que la longitud de onda de los electrones del nivel de Fermi o de la longitud de canje magnético. El confinamiento puede tener lugar en una dimensión (como en los pozos cuánticos que se forman en las superredes semiconductoras y metálicas); en dos dimensiones (como por ejemplo en los corrales cuánticos que se puede construir en superficies metálicas) o en las tres dimensiones (dando lugar en este caso al equivalente a un punto cuántico). La reducción progresiva de la dimensionalidad conlleva varios efectos. En primer lugar, los efectos de correlación electrónica aumentan. En segundo lugar, se altera el balance entre la energía electrónica y la energía elástica, de modo que en este tipo de materiales es frecuente que las propiedades electrónicas desempeñen un papel fundamental en la determinación de la estructura cristalina. En efecto, la existencia de estados de pozo cuántico, cuya posición energética depende críticamente de la morfología del material, determina que ciertas configuraciones estructurales sean más favorables que otras. Existe toda una gama de fenómenos relacionados con esta propiedad, entre los que se pueden mencionar por ejemplo los efectos de crecimiento electrónico (en cuyo crecimiento epitaxial determinados espesores de la película son más estables que otros); aparición de alturas mágicas (sólo se observan algunas alturas de nanoagregados, favorecidas por una energía electrónica menor); cambios en las propiedades elásticas o térmicas de películas delgadas, etc. 

 

Algunos ejemplos de nuestro trabajo en este área se pueden encontrar en:

 

“Electronic structure of reconstructed Au(100): Two-dimensional and one-dimensional surface states”

Bengio, S Navarro, V; Gonzalez-Barrio, MA; Cortes, R; Vobornik, I; Michel, EG; Mascaraque, A

Physical Review B 86 (2012) 045426

DOI: 10.1103/PhysRevB.86.045426  

La superficie limpia de Au (100) presenta una reconstrucción compleja caracterizada por una capa superior de simetría hexagonal. En este artículo se presenta un estudio de fotoemisión resuelta en ángulo de la estructura electrónica de esta superficie, incluyendo un análisis de la superficie de Fermi, combinada con información estructural a partir de la difracción de electrones de baja energía y microscopía de efecto túnel. En el mapa de la superficie Fermi encontrada, de gran complejidad, se identifican diferentes contribuciones de las bandas de volumen, de estados de superficie situados por debajo de la capa superior hexagonal, y de la capa superior hexagonal en sí misma. Los estados electrónicos relacionados con esta última capa presentan características de estados cuasi unidimensionales, de acuerdo con las cadenas que forman la reconstrucción, como se demuestra por su dispersión, la periodicidad y la ubicación espacio recíproco de estos estados cuasi unidimensionales.

 

“Electronic structure analysis of quasi-one-dimensional Monophosphate Tungsten Bronzes”

A. Mascaraque, L. Roca, J. Avila, S. Drouard, H. Guyot, M. C. Asensio.

Physical Review B 66, (2002) 115104

DOI:10.1103/PhysRevB.66.115104

Los bronces azules son una familia de compuestos que presentan fases CDW (Onda de Densidad de Carga). En este trabajo determinamos experimentalmente la estructura electronica a temperatura ambiente del bronce azul P_4W_8O_32, uno de los miembros de la familia de los bronces de tungsteno. Estos compuestos poseen una estructura laminar cuya dimensionalidad reducida 2-D induce inestabilidades electrónicas, entre ellas la estabilización de CDW. La determinación experimental mediante fotoemisión resuelta en ángulo con radiación sincrotrón del comportamiento electrónico a nivel de Fermi aportó la primera evidencia electrónica directa de que las distintas transiciones de fase se relacionan de forma inequívoca con modificaciones en la estructura de bandas del sistema. Asimismo, el mayor valor del vector de Fermi experimental respecto a lo predicho en los cálculos ab initio es una indicación de que el acoplamiento entre las diferentes láminas que forman el compuesto es mayor que el esperado.

Materiales nanoestructurados

El confinamiento electrónico y otras propiedades electrónicas originales son determinantes a la hora de comprender el comportamiento de, por ejemplo, las superredes metálicas, donde el confinamiento vertical de los electrones genera el efecto de magnetorresistencia gigante; las propiedades de partículas nanométricas y la actividad catalítica; el comportamiento electrónico de los sistemas inconmensurados; y, finalmente, las características de los materiales nanoestructurados, como las superficies vecinales, donde los estados electrónicos confinados explican la estabilidad de determinadas superestructuras o como las superficies muy bombardeadas de Au(001), donde se forma una red autoorganizada de pozos.

 

Algunos ejemplos de nuestro trabajo en este área se pueden encontrar en:

“Coexistence of Racemic and Homochiral Two-Dimensional Lattices Formed by a Prochiral Molecule: Dicarboxystilbene, on Cu(110)”

R. Cortés, A. Mascaraque, P. Schmidt-Weber, H. Dil, T. U. Kampen and K. Horn.

Nanoletters 8, 4162 (2008)

DOI: 10.1021/nl801592c

El Dicarboxiestilbeno es una molécula no-quiral que se convierte en quiral en su estado adsorbido debido a la pérdida de un eje de rotación. Esta molécula da lugar a estructuras ordenadas quirales de largo alcance cuando es adsorbida sobre Cu (110) según se observa con microscopía de efecto túnel. En este artículo se muestra que dichas estructuras se crean a partir de un "complejo de adsorción" quiral que actúa de bloque de construcción, dando lugar a un par de conjuntos racémicos y dos conjuntos estructurales enantioméricamente puros. En este trabajo se interpreta la formación de estas estructuras en términos de equilibrio entre las interacciones mediadas por enlaces de hidrógeno intermoleculares y la relación adsorbato-superficie. También se discuten las razones para la conversión inducida por la temperatura de la fase metaestable enantioméricamente pura a la estructura racémica.