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(noticias nanowerk) La investigación aparece en ACS Nano (“Observación espaciotemporal del transporte cuasi-balístico de electrones en grafeno”) muestra el movimiento balístico de los electrones en el grafeno en tiempo real.
Las observaciones, realizadas en el Laboratorio de Láser Ultrarrápido de la Universidad de Kansas, podrían conducir a avances en el control de electrones en semiconductores, que son componentes fundamentales de la mayoría de las tecnologías de la información y la energía.
Las tesis centrales
Investigación
«En general, el movimiento de los electrones se ve interrumpido por colisiones con otras partículas sólidas», dijo el autor principal Ryan Scott, estudiante graduado en el Departamento de Física y Astronomía de KU. “Es como alguien corriendo por un salón de baile lleno de bailarines. Estas colisiones ocurren con bastante frecuencia: entre 10 y 100 mil millones de veces por segundo. Ralentizan los electrones, provocan pérdidas de energía y generan calor no deseado. Sin colisiones, un electrón se movería continuamente dentro de un sólido, de forma similar a como lo hacen los coches en una carretera o los misiles balísticos en el aire. A esto lo llamamos «transporte balístico».
Scott llevó a cabo los experimentos de laboratorio bajo la supervisión de Hui Zhao, profesor de física y astronomía en KU. En el trabajo contaron con la ayuda del ex estudiante graduado de KU, Pavel Valencia-Acuña, quien ahora es becario postdoctoral en el Laboratorio Nacional del Pacífico Noroeste.
Zhao dijo que los dispositivos electrónicos que utilizan transporte balístico podrían ser potencialmente más rápidos, más potentes y más eficientes energéticamente.
«Los dispositivos electrónicos actuales, como computadoras y teléfonos, utilizan transistores de efecto de campo basados en silicio», dijo Zhao. “En estos dispositivos, los electrones sólo pueden desplazarse a una velocidad del orden de centímetros por segundo debido a las frecuentes colisiones. El transporte balístico de electrones en el grafeno se puede utilizar en dispositivos de alta velocidad y baja potencia”.
Los investigadores de KU observaron movimiento balístico en el grafeno, un material prometedor para dispositivos electrónicos de próxima generación. El grafeno fue descubierto por primera vez en 2004 y recibió el Premio Nobel de Física en 2010. Consiste en una sola capa de átomos de carbono que forman una estructura reticular hexagonal, similar a una red de fútbol.
«Los electrones en el grafeno se mueven como si su masa ‘efectiva’ fuera cero, lo que aumenta la probabilidad de que eviten colisiones y se muevan balísticamente», dijo Scott. “Experimentos eléctricos anteriores que examinaron corrientes eléctricas generadas por voltajes en diversas condiciones han mostrado evidencia de transporte balístico. Sin embargo, estas técnicas no son lo suficientemente rápidas para rastrear el movimiento de los electrones”.
Según los investigadores, los electrones del grafeno (o de cualquier otro semiconductor) son como estudiantes sentados en un aula abarrotada donde no pueden moverse libremente porque los pupitres están llenos. La luz láser puede liberar electrones para limpiar temporalmente un escritorio, o un «agujero», como lo llaman los físicos.
«La luz puede proporcionar energía a un electrón para liberarlo y poder moverse libremente», dijo Zhao. “Es como permitir que un estudiante se levante y se mueva de su asiento. Sin embargo, a diferencia de un estudiante con carga neutra, un electrón tiene carga negativa. Una vez que el electrón ha abandonado su “asiento”, el asiento se carga positivamente y rápidamente tira del electrón hacia atrás, lo que hace que ya no haya más electrones en movimiento, como el estudiante que se vuelve a sentar”.
Debido a este efecto, los electrones superligeros del grafeno sólo pueden permanecer móviles durante aproximadamente una billonésima de segundo antes de volver a caer en su asiento. Este corto tiempo plantea un gran desafío para observar el movimiento de los electrones. Para abordar este problema, los investigadores de KU diseñaron y fabricaron una estructura artificial de cuatro capas con dos láminas de grafeno separadas por otros dos materiales de una sola capa, disulfuro de molibdeno y diseleniuro de molibdeno.
«Usando esta estrategia, pudimos dirigir los electrones a una capa de grafeno mientras manteníamos sus ‘asientos’ en la otra capa de grafeno», dijo Scott. “La separación por dos capas de moléculas con un espesor total de sólo 1,5 nanómetros obliga a los electrones a permanecer móviles durante aproximadamente 50 billonésimas de segundo, tiempo suficiente para que los investigadores equipados con láseres de hasta 0,1 billonésimas de segundo puedan estudiar cómo mover.»
Los investigadores utilizan un punto láser altamente enfocado para liberar algunos electrones en su muestra. Rastrean estos electrones determinando la «reflectividad» de la muestra o el porcentaje de luz que reflejan.
«Vemos la mayoría de los objetos porque reflejan la luz en nuestros ojos», dijo Scott. “Los objetos más brillantes tienen mayor reflectividad. Por otro lado, los objetos oscuros absorben la luz, por lo que la ropa oscura se calienta en verano. Cuando un electrón móvil se mueve a una ubicación específica de la muestra, esa ubicación se vuelve ligeramente más brillante al cambiar la forma en que los electrones en esa ubicación interactúan con la luz. El efecto es muy pequeño: incluso si todo está optimizado, un electrón sólo cambia la reflectancia en 0,1 partes por millón”.
Para detectar un cambio tan pequeño, los investigadores liberaron 20.000 electrones a la vez, utilizando una sonda láser para reflejarlos en la muestra y medir esa reflectividad. Repitieron el proceso 80 millones de veces para cada punto de datos. Descubrieron que, en promedio, los electrones se mueven balísticamente durante aproximadamente 20 billonésimas de segundo, viajando a una velocidad de 22 kilómetros por segundo, antes de encontrar algo que detenga su movimiento balístico.
Zhao dijo que su laboratorio está trabajando actualmente en refinar el diseño de materiales para guiar de manera más eficiente los electrones a la capa de grafeno deseada y está tratando de encontrar formas de moverlos balísticamente a distancias más largas.
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