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Alex Zettl

Alex K. Zettl (nacido el 11 de octubre de 1956) es un físico experimental, educador e inventor estadounidense.

Es profesor de la Escuela de Graduados en Física de la Universidad de California, Berkeley , y científico sénior del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Zettl es un experto líder en la síntesis, caracterización y aplicación de materiales de baja dimensión. Ha sintetizado y estudiado nuevos materiales, en particular los basados ​​en carbono, boro y nitrógeno, y ha realizado numerosas invenciones en el campo de los materiales electrónicos y los sistemas nanoelectromecánicos. Zettl y su equipo de investigación fueron los primeros en sintetizar nanotubos de nitruro de boro [1] y crearon sensores químicos de nanotubos de carbono. [2] Él y su equipo construyeron el nanomotor rotacional eléctrico sintético más pequeño del mundo, [3] el receptor de radio FM completamente integrado más pequeño, [4] [5] un balance de masa nanomecánico con sensibilidad de un solo átomo, [6] osciladores de relajación a nanoescala controlables por voltaje, [7] [8] y un rectificador térmico a nanoescala [9] útil para circuitos fonónicos. Él y su equipo inventaron el nanomanipulador, [10] [11] la rejilla de grafeno suspendida, [12] [13] y la celda de líquido de grafeno [14] y la celda de flujo de grafeno, [15] todas las cuales han avanzado enormemente en la microscopía electrónica de transmisión.

Vida temprana y educación

Zettl nació en San Francisco, California. Asistió a la escuela secundaria Sir Francis Drake (ahora escuela secundaria Archie Williams), a la Universidad de California, Berkeley (licenciatura en 1978) y a la Universidad de California, Los Ángeles (licenciatura en 1980, doctorado en 1983). Su campo de estudio de doctorado fue la física experimental de la materia condensada. Su director de doctorado fue el profesor George Grüner.

Carrera

Como estudiante de posgrado, Zettl colaboró ​​estrechamente con John Bardeen, dos veces Premio Nobel de Física. Bardeen había desarrollado una nueva teoría de tunelización cuántica macroscópica de ondas de densidad de carga, y Zettl realizó experimentos para probar la teoría. [16] [17] Después de completar su doctorado, Zettl asumió inmediatamente un puesto de profesor en el Departamento de Física de la Universidad de California, Berkeley, y ha permanecido allí durante toda su carrera académica (Profesor asistente, 1983-86; Profesor asociado, 1986-1988; Profesor, 1988-2022; Profesor de la Escuela de Graduados en Física, 2022-presente).

En el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, Zettl dirigió el programa de superconductividad de 1990 a 2002, y el programa de materiales con enlaces sp2 de 1997 a 2022. De 2004 a 2014 dirigió el Centro de Sistemas Nanomecánicos Integrados financiado por la National Science Foundation. El Centro reunió a aproximadamente 25 equipos de investigación de cuatro instituciones (UC Berkeley, Stanford University, California Institute of Technology y UC Merced) y fomentó una investigación nanoelectromecánica altamente interdisciplinaria. El centro también desarrolló numerosos programas de divulgación educativa. De 2013 a 2015, Zettl fue codirector (junto con Carolyn Bertozzi) y de 2015 a 2022 director del Instituto de Nanociencias y Nanoingeniería de Berkeley (BNNI), una organización paraguas para expandir y coordinar las actividades de investigación y educación de Berkeley en ciencia e ingeniería a nanoescala.

Zettl ha asesorado a aproximadamente 50 estudiantes de posgrado (incluidos aquellos que obtienen títulos de doctorado en química, ingeniería mecánica, ingeniería eléctrica y ciencia de los materiales) y aproximadamente 40 investigadores postdoctorales.

Logros de investigación seleccionados

Se puede acceder a más de 600 publicaciones de investigación, materiales complementarios y aspectos destacados de la investigación de Zettl en https://www.ocf.berkeley.edu/~jode/index.html.

Estática de ondas de densidad de carga y dinámica no lineal

Zettl descubrió respuestas caóticas [18] y rutas de duplicación de período hacia el caos [19] en sistemas de ondas de densidad de carga dinámica (CDW) impulsados ​​por un campo de rf, y encontró que el bloqueo de modo congela por completo todas las fluctuaciones internas del condensado de modo colectivo. [20] [21] Identificó los centros de deslizamiento de fase como el origen de la llamada conmutación en CDW. [22] Descubrió un acoplamiento electroelástico inusual en sistemas CDW y estudió la evolución del parámetro de orden CDW a medida que los tamaños de muestra se acercaban a la escala nm. [23] Para el sistema CDW estático 2D TaS 2 , Zettl utilizó mediciones STM criogénicas para caracterizar completamente la estructura del dominio, [24] y para contrastar los parámetros CDW a granel determinados a través de dispersión de rayos X con los parámetros CDW de superficie establecidos por STM. [25]

Superconductores y fulerenos de alta temperatura

Zettl realizó mediciones fundamentales del efecto isotópico en superconductores de alta temperatura, incluyendo la sustitución de isótopos de oxígeno [26] [27] , bario [28] y cobre [28] en Y-Ba-Cu-O, la sustitución de isótopos de oxígeno en La-Sr-Cu-O [29] y la sustitución de isótopos de carbono y álcali [30] [ 31 ] en A3C60 . Estas mediciones impusieron severas restricciones al mecanismo de superconductividad y revelaron que la superconductividad en los óxidos de cobre probablemente no estaba mediada por fonones, pero probablemente estaba mediada por fonones en los fulerenos. Zettl fue el primero en intercalar superconductores de alta temperatura térmica con moléculas extrañas [32], lo que permitió que los planos de Cu-O se separaran física y electrónicamente. Zettl también produjo monocristales de alta calidad [33] de superconductores de fulerenos que facilitaron una serie de mediciones detalladas de transporte y termodinámicas. Zettl reveló las propiedades elásticas de los materiales de alta temperatura de transición vítrea [34] y determinó la dimensionalidad efectiva de los superconductores de fulerenos a través de mediciones de paraconductividad. [35]

Nanotubos de nitruro de boro y carbono y nanoestructuras relacionadas

Zettl ha realizado estudios exhaustivos sobre las propiedades mecánicas y electrónicas de los nanotubos de carbono (CNT). Creó dispositivos electrónicos a partir de CNT, incluido un rectificador [36] y un sensor químico. [37] A partir de mediciones de conductividad térmica [38] extrajo el comportamiento lineal-T esperado del cuanto de conductancia térmica. Creó una fuente de emisión de campo electrónico basada en CNT altamente robusta. [38] Zettl descubrió que los CNT podían ser estables en un estado completamente colapsado, [39] lo que condujo a una cuantificación refinada [40] de la energía de interacción entre capas en el grafito; este importante parámetro había sido sorprendentemente mal definido experimentalmente.

Zettl fue el primero en sintetizar nanotubos de nitruro de boro (BNNTs), [1] para los cuales (en marcado contraste con los CNTs), las propiedades electrónicas y ópticas son relativamente insensibles al número de paredes, diámetro y quiralidad. Zettl también encontró diferentes maneras de sintetizar eficientemente [41] [42] [43] [44] [45] BNNTs, junto con nanomateriales relacionados basados ​​en BN tales como nanocapullos de BN [45] y aerogeles de BN. [46] También desarrolló métodos para funcionalizar las superficies externas de BNNTs, [47] [48] [49] y llenarlas con especies químicas extrañas [50] [51] creando nuevas estructuras incluyendo silocristales. [52] Zettl demostró experimentalmente que un campo eléctrico podría ser usado para modular la brecha de banda electrónica de BNNTs (efecto Stark gigante). [53]

Sistemas nanoelectromecánicos y avances en microscopía electrónica de transmisión

Zettl desarrolló el nanomanipulador del microscopio electrónico de transmisión (TEM), [10] [11] que permitía la estimulación eléctrica y mecánica de muestras a escala nanométrica mientras se obtenían imágenes de ellas dentro del TEM. El nanomanipulador podía configurarse como una sonda mecánica y/o eléctrica colocada con precisión atómica, como un microscopio de efecto túnel de barrido o como un microscopio de fuerza atómica con capacidad de medición de fuerza simultánea. [54] Zettl utilizó el nanomanipulador para demostrar que los CNT de pared múltiple estaban compuestos de cilindros concéntricos anidados en lugar de volutas, [11] y determinó las fuerzas de fricción fundamentales entre los cilindros. [11] [54] Esto condujo a su invención del nanomotor rotacional [3] que empleaba cojinetes de nanotubos. Otros inventos de Zettl que resultaron de ello fueron osciladores de relajación alimentados por tensión superficial, [7] resonadores sintonizables, [55] motores lineales alimentados por nanocristales, [56] un receptor de nanoradio totalmente integrado, [3] un actuador de nanobalón, [57] y reóstatos eléctricos [58] y térmicos [59] a escala nanométrica . Zettl utilizó el nanomanipulador para realizar los primeros experimentos de holografía electrónica [60] en materiales a escala nanométrica, que cuantificaron la emisión de campo mecánico cuántico de los CNT. Utilizando una arquitectura similar a la de su nanoradio, Zettl creó una “balanza” nanoelectromecánica que tenía sensibilidad a la masa de un solo átomo, y con la que observó el ruido de disparo atómico por primera vez. [6] Desarrolló una membrana de grafeno suspendida [12] [13] que permitió obtener imágenes TEM casi en tiempo real de la dinámica de átomos de carbono individuales y otras especies atómicas y moleculares aisladas. El desarrollo de la celda líquida de grafeno para TEM [14] y la celda de flujo de grafeno [15] por parte de Zettl aportó imágenes en fase líquida en tiempo real y de resolución ultraalta al mundo de TEM. Zettl también desarrolló sondas biológicas nanomecánicas, [61] nanoporos personalizados, [62] [63] [64] y transductores de energía mecánica de banda ancha altamente eficientes basados ​​en grafeno. [65] [66]

Materiales 2D

Zettl ha hecho contribuciones clave a la síntesis y caracterización de una gran cantidad de materiales 2D, incluidos TaS 2 , [24] [25] MoS 2 , [67] [68] NbS 2 aleados , [69] NbSe 2 , [70] y cuasicristales 2D. [71] Zettl descubrió recientemente un medio para mejorar y controlar la emisión de luz cuántica en heteroestructuras hexagonales-BN, [72] con implicaciones para la transmisión y gestión de información cuántica.

Aislamiento de cadenas 1D y materiales topológicos

En analogía con el aislamiento del grafeno 2D del grafito, Zettl desarrolló un método por el cual se podían aislar y estudiar cadenas simples o pocas de materiales cuasi 1D. [73] [74] Lo hizo sintetizando los materiales en el interior confinado (y protector) de los CNT y BNNT. El método ha producido estructuras desconocidas en "masa", con propiedades electrónicas a menudo interesantes (como transiciones agudas de metal a aislante [75] ) y propiedades topológicas no triviales. [76] Zettl también creó nanocintas ultra estrechas atómicamente precisas [77] mediante este método de crecimiento confinado.

Electrónica líquida

Utilizando nanopartículas conductoras “insertas” suavemente en la interfaz entre dos líquidos inmiscibles, Zettl construyó dispositivos electrónicos y “circuitos”, creando así un paradigma eficaz para “toda la electrónica líquida”. [78] Estas construcciones podrían facilitar una reconfiguración más sencilla o un reciclaje completo de los componentes una vez que la arquitectura del circuito se vuelva obsoleta.

Libros seleccionados, capítulos de libros y artículos de revisión

Conceptos contemporáneos de la ciencia de la materia condensada, volumen 3, páginas 1 a 215 (2008)

Premios y honores

Beca predoctoral IBM (1982-1983); Premio Presidencial para Jóvenes Investigadores (1984-1989); Beca de la Fundación Sloan (1984-1986); Premio de Desarrollo Docente IBM (1985-1987); Cátedra Miller (1995); Premio al Desempeño Sobresaliente del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (1995); Premio de la Facultad de Lucent Technologies (1996); Miembro de la Sociedad Estadounidense de Física (1999); Premio al Desempeño Sobresaliente del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (2004); Premio R&D 100 (2004); Premio APS James C. McGroddy para Nuevos Materiales (compartido con Hongjie Dai) (2006), Cátedra Miller (2007); Premio R&D 100 (2010); Premio Feynman en Nanotecnología Experimental (2013); Membresía, Academia Estadounidense de las Artes y las Ciencias (2014); Premio R&D 100 (2015); Premio Clarivate a la mención honorífica (2020)

Vida personal

Zettl es un entusiasta de las actividades al aire libre. Es un ávido kayakista en aguas bravas y en alta mar, y practicante de rafting en aguas bravas. Ha guiado numerosos viajes en rafting en aguas bravas en ríos de clase 5 en toda California, y ha guiado descensos en la naturaleza de los ríos Tatshenshini y Alsek en Alaska y un descenso en pleno invierno del río Colorado a través del Gran Cañón. A Zettl le gusta el esquí de travesía y el montañismo, especialmente la escalada de expedición. Ha liderado o codirigido numerosas expediciones de escalada a la cordillera de Alaska, la cordillera de San Elías (Alaska y el Yukón) y los Andes de Ecuador, Perú y Argentina. Ha escalado rutas técnicas en Denali y ha completado un descenso en esquí del monte Logan, el pico más alto de Canadá. Ha escalado extensamente la Sierra Nevada de California, las cascadas del noroeste del Pacífico, los volcanes de México, los Alpes de Alemania, Francia, Suiza e Italia, los picos de Marruecos y Tanzania, los Alpes de Japón y Nueva Zelanda, y el Himalaya y el Karakoram de Nepal y Pakistán. A Zettl también le gusta diseñar y construir dispositivos electrónicos para aficionados, así como construir y operar vehículos todoterreno.

Referencias

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