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Un estudio publicado en Google proporciona una visualización en tiempo real del movimiento balístico de los electrones en el grafeno ACS Nano.
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Laboratorio de láseres ultrarrápidos. Fuente de la imagen: Comunicaciones de marketing de KU
Los conocimientos adquiridos en el Laboratorio de Láser Ultrarrápido de la Universidad de Kansas podrían allanar el camino para avances significativos en el control de los electrones semiconductores, que son elementos esenciales de la mayoría de las tecnologías de la información y la energía.
En general, el movimiento de los electrones se ve interrumpido por colisiones con otras partículas sólidas. Esto es comparable a 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”.
Ryan Scott, investigador principal y estudiante de posgrado, Departamento de Física y Astronomía, Universidad de Kansas
Scott trabajó con Hui Zhao, profesor de física y astronomía de KU, como mentor para realizar los experimentos de laboratorio. Pavel Valencia-Acuña, ex Ph.D. Un estudiante de KU que actualmente es becario postdoctoral en el Laboratorio Nacional del Pacífico Noroeste la acompañó en su estudio.
Según Zhao, la transferencia balística podría permitir dispositivos electrónicos más rápidos, más potentes y más eficientes energéticamente.
Los dispositivos electrónicos actuales, como ordenadores y teléfonos, utilizan transistores de efecto de campo basados en silicio. 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.
Hui Zhao, profesor de física y astronomía de la Universidad de Kansas
El grafeno está formado por una sola capa de átomos de carbono, creando una estructura reticular hexagonal. Fue descubierto por primera vez en 2004 y ganó el Premio Nobel de Física en 2010. El grafeno exhibe movilidad balística como lo demuestran los investigadores de KU.
Scott añadió: “Los electrones del grafeno se mueven como si su masa «efectiva» fuera cero, lo que los hace más propensos a evitar colisiones y moverse balísticamente. Experimentos eléctricos anteriores que examinaron corrientes eléctricas generadas por voltajes en diversas condiciones han revelado evidencia de transporte balístico. Sin embargo, estas técnicas no son lo suficientemente rápidas para seguir el movimiento de los electrones.«
Los investigadores compararon los electrones en el grafeno (u otro semiconductor) con estudiantes sentados en un aula abarrotada con escritorios ocupados, lo que impedía que los estudiantes se movieran libremente. Los físicos llaman a estos escritorios «agujeros» y la luz láser tiene la capacidad de liberar temporalmente electrones de ellos.
Zhao añadió: “La luz puede proporcionar energía a un electrón para liberarlo y poder moverse libremente. Esto es similar a 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 abandona 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.«
Este efecto permite que los electrones superligeros del grafeno permanezcan móviles durante sólo una fracción de segundo antes de volver a su posición original. Este corto período de tiempo hace que sea extremadamente difícil observar el movimiento de los electrones. Para resolver este problema, los científicos de KU crearon una estructura artificial de cuatro capas que consta de dos capas de grafeno separadas por dos materiales adicionales de una sola capa: diseleniuro de molibdeno y disulfuro de molibdeno.
“Usando esta estrategia, pudimos dirigir los electrones a una capa de grafeno mientras manteníamos sus «asientos» en la otra capa de grafeno. 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 los investigadores equipados con láseres que alcanzan una velocidad de 0,1 billonésimas de segundo. para estudiar como se mueven“Comentó Scott.
Para liberar algunos de los electrones de su muestra, los investigadores utilizan un punto láser concentrado con precisión. Al registrar la «reflectividad» de la muestra, o la cantidad de luz reflejada por ella, pueden rastrear estos electrones.
Scott explicó además: “Vemos la mayoría de los objetos porque reflejan la luz en nuestros ojos. Los objetos más brillantes tienen un mayor grado de reflectancia. 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. Luego midieron la reflectividad de la muestra reflejando una sonda láser y repitieron el proceso 80 millones de veces para cada punto de datos. Descubrieron que antes de que los electrones golpeen un objeto que detenga su movimiento balístico, viajan balísticamente a una media de 22 kilómetros por segundo, o 20 billonésimas de segundo.
La financiación del estudio provino de una subvención del programa de Comportamiento Físico de Materiales del Departamento de Energía.
Según Zhao, su grupo está actualmente tratando de mejorar el diseño de materiales para guiar de manera más efectiva los electrones a la capa de grafeno correspondiente, y también está buscando formas de aumentar la distancia balística que pueden viajar los electrones.
Referencia de la revista:
Scott, RJ. et. Alabama. (2023) Observación espaciotemporal del transporte de electrones cuasi balístico en grafeno. ACS Nano. doi:10.1021/acsnano.3c08816.
Fuente: https://ku.edu/
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