Ferroelastic domain wall driven glassy dynamics and photoresponse in a SrTiO$_3$ (111) two-dimensional electron gas

All'interno dei cristalli solidi che compongono gran parte della nostra tecnologia moderna, gli atomi sono disposti in modelli ordinati e ripetitivi. Ma a volte, questi modelli non sono perfettamente uniformi. In certi materiali, la struttura cristallina può dividersi in diverse regioni, o domini, dove gli atomi sono leggermente spostati o inclinati l'uno rispetto all'altro. I confini tra queste regioni sono chiamati pareti di dominio. Sebbene queste pareti fossero un tempo considerate semplici imperfezioni strutturali, gli scienziati hanno scoperto recentemente che possono agire come parti attive e vive del materiale, capaci di intrappolare cariche elettriche e influenzare il modo in cui l'elettricità fluisce. Ciò è particolarmente vero per un materiale chiamato titanato di stronzio, una ceramica che diventa conduttrice quando la sua superficie viene modificata. Quando questo materiale viene tagliato lungo un angolo specifico, noto come direzione (111), crea un ambiente unico in cui uno strato sottile di elettroni può muoversi liberamente, formando quello che viene chiamato un gas di elettroni bidimensionale. La domanda che i ricercatori si sono posti è se le pareti invisibili e mutevoli all'interno del cristallo possano controllare questi elettroni in movimento e, in tal caso, se sia possibile regolare tale controllo.

Un team di fisici dell'Indian Institute of Science di Bengaluru si è posto l'obiettivo di rispondere a questo quesito creando due diverse versioni di questo strato di elettroni su cristalli di titanato di stronzio. Hanno utilizzato un laser per depositare un sottile film di ossido di alluminio sulla superficie del cristallo, un processo che crea uno strato conduttivo all'interfaccia. Hanno realizzato un campione con un numero relativamente basso di elettroni e un altro con un numero molto elevato, creando di fatto una versione "metallica" molto più conduttiva. Misurando come l'elettricità si muoveva attraverso questi campioni mentre li raffreddavano a temperature estremamente basse, i ricercatori hanno riscontrato una differenza sorprendente. Nel campione con meno elettroni, la resistenza elettrica non si comportava in modo fluido. Al contrario, mostrava segni di uno stato lento e pigro. Quando la temperatura veniva abbassata, la resistenza cambiava a seconda della velocità con cui il campione veniva raffreddato e, se i ricercatori si fermavano a una specifica temperatura fredda e attendevano, la resistenza continuava a derivare lentamente nel tempo, come se il materiale ricordasse il proprio passato. Questo comportamento, noto come dinamica vetrosa, è simile al modo in cui il vetro delle finestre scorre lentamente nel corso di secoli, ma qui accade con gli elettroni e le pareti cristalline in una questione di ore.

I ricercatori hanno scoperto che questo strano e lento comportamento era direttamente collegato alle pareti di dominio ferroelastiche polari all'interno del cristallo. Queste sono i confini tra le diverse regioni atomiche, che diventano elettricamente attive o "polari" al di sotto di una certa temperatura. Nel campione a bassi elettroni, queste pareti agivano come una rete, catturando e trattenendo gli elettroni in movimento. Poiché le pareti stesse si stavano riorganizzando lentamente e assestando in uno stato stabile, anche gli elettroni intrappolati su di esse si muovevano lentamente, causando la variazione della resistenza nel tempo. L'effetto era più forte a una temperatura di circa 25 Kelvin, ovvero circa -248 gradi Celsius, e scompariva completamente quando il campione veniva raffreddato ulteriormente al di sotto di 12 Kelvin, dove le pareti rimanevano congelate in posizione. Fondamentalmente, questo comportamento vetroso svaniva completamente nel secondo campione, quello con una densità di elettroni molto più alta. In questa versione metallica, l'enorme numero di elettroni liberi sovrastava l'influenza delle pareti di dominio, schermandole così efficacemente che le pareti non potevano più intrappolare le cariche o rallentarle. Ciò ha dimostrato che l'interazione tra gli elettroni e le pareti poteva essere attivata o disattivata semplicemente cambiando il numero di elettroni presenti.

Per capire ancora più profondamente come queste pareti influenzassero gli elettroni, il team ha illuminato i campioni con una luce verde. La luce di solito eccita gli elettroni, conferendo loro energia extra per muoversi, il che rende il materiale più conduttivo. In questi cristalli, la luce sollevava gli elettroni dagli stati intrappolati e li immetteva nel flusso di elettricità. Quando la luce veniva spenta, i ricercatori si aspettavano che gli elettroni cadessero rapidamente nei loro trappole e che la resistenza tornasse alla normalità. Invezione, nel campione a bassi elettroni, la resistenza rimaneva bassa per molto tempo, un fenomeno chiamato fotoconduttività persistente. Questo effetto diventava molto più forte quando la temperatura scendeva sotto gli 80 Kelvin, il punto esatto in cui le pareti di dominio diventavano polari. La luce eccitava gli elettroni che venivano poi catturati nel paesaggio in lenta evoluzione delle pareti polari, impedendo loro di ricombinarsi con i propri partner mancanti e di tornare all'equilibrio. Il recupero della resistenza seguiva un modello complesso che suggeriva l'esistenza di due diversi tipi di trappole: un set di trappole causato dalle vacanze di ossigeno, che sono difetti comuni nel cristallo, e un secondo set di trappole, più lento, creato specificamente dalle pareti di dominio polari. Questo secondo set appariva solo quando le pareti diventavano polari, confermando che le pareti partecipavano attivamente al comportamento elettrico.

Lo studio ha anche rivelato che il sistema possedeva una memoria. Se i ricercatori raffreddavano il campione a una temperatura specifica e attendevano per un po' prima di effettuare le misurazioni, la resistenza elettrica cambiava in modo dipendente da quanto tempo avevano aspettato. Questo effetto di "invecchiamento" è un segno distintivo dei sistemi vetrosi, dove il materiale si assesta lentamente verso uno stato più stabile nel tempo. Il fatto che gli elettroni mostrassero questo stesso comportamento di invecchiamento significava che erano intimamente legati al lento movimento vetroso delle pareti di dominio. Confrontando i due campioni, i ricercatori hanno concluso che l'alta densità di elettroni nel secondo campione creava uno scudo che bloccava i campi elettrici delle pareti di dominio, impedendo loro di influenzare il flusso di elettricità. Questa scoperta suggerisce che le pareti di dominio non sono solo caratteristiche strutturali passive, ma sono un componente elettronico regolabile. Regolando il numero di elettroni, gli scienziati possono decidere se queste pareti controllano le proprietà del materiale o rimangono silenziose. Ciò apre nuove possibilità per la progettazione di dispositivi elettronici in cui il flusso di elettricità può essere manipolato dai difetti topologici all'interno del cristallo, offrendo un nuovo modo per ingegnerizzare i materiali per le tecnologie future.