Un modelo teórico de las interacciones del plasmarón en el grafeno, hojas de carbono de un átomo de espesor.
(PhysOrg.com) - Los científicos que trabajan con grafeno en la fuente de luz avanzada han visto por primera vez las bandas de energía de partículas complejas conocidas como plasmarones. Su descubrimiento puede acelerar el día en que estas hojas cristalinas de carbono de un solo átomo de espesor se puedan utilizar para construir computadoras ultrarrápidas y otros dispositivos electrónicos. fotónico y dispositivos plasmónicos a nanoescala.
Los científicos que trabajan en Advanced Light Source (ALS) en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía de EE. UU. Han descubierto nuevos y sorprendentes detalles sobre la estructura electrónica del grafeno. láminas cristalinas de carbono de un solo átomo de espesor. Un equipo internacional dirigido por Aaron Bostwick y Eli Rotenberg de la ALS descubrió que las partículas compuestas llamadas plasmarones juegan un papel vital en la determinación de las propiedades del grafeno.
“Las propiedades interesantes del grafeno son todos fenómenos colectivos, ”Dice Rotenberg, un científico senior de ALS responsable del programa científico en la línea de luz 7 de ALS, donde se realizó el trabajo. "La verdadera estructura electrónica del grafeno no puede entenderse sin comprender las muchas interacciones complejas de los electrones con otras partículas".
Los portadores de carga eléctrica en el grafeno son electrones negativos y huecos positivos, que a su vez se ven afectados por plasmones, oscilaciones de densidad que se mueven como ondas sonoras a través del "líquido" de todos los electrones del material. Un plasmaron es una partícula compuesta, un portador de carga junto con un plasmón.
“Aunque los plasmarones se propusieron teóricamente a finales de la década de 1960, y se ha encontrado evidencia indirecta de ellos, nuestro trabajo es la primera observación de sus distintas bandas de energía en el grafeno, o de hecho en cualquier material, ”Dice Rotenberg.
Comprender las relaciones entre estos tres tipos de partículas:portadores de carga, plasmones, y plasmarones, pueden apresurar el día en que el grafeno se pueda usar para "plasmónicos" para construir computadoras ultrarrápidas, tal vez incluso computadoras cuánticas a temperatura ambiente, además de una amplia gama de otras herramientas y aplicaciones.
El grafeno extraño se vuelve extraño
"El grafeno no tiene banda prohibida, "Dice Bostwick, un científico investigador en la línea de luz 7.0.1 y autor principal del estudio. "En el diagrama de banda prohibida habitual del grafeno neutro, la banda de valencia llena y la banda de conducción vacía se muestran como dos conos, que se encuentran en sus puntas en un punto llamado cruce de Dirac ".
El grafeno es único porque los electrones cerca del cruce de Dirac se mueven como si no tuvieran masa, viajando a una fracción significativa de la velocidad de la luz. Los plasmones se acoplan directamente a estos cargos elementales. Sus frecuencias pueden alcanzar los 100 billones de ciclos por segundo (100 terahercios, 100 THz), mucho más alta que la frecuencia de la electrónica convencional en las computadoras actuales, que normalmente funcionan a unos pocos miles de millones de ciclos por segundo (unos pocos gigahercios, GHz).
Los plasmones también pueden ser excitados por fotones, partículas de luz, de fuentes externas. La fotónica es el campo que incluye el control y uso de la luz para el procesamiento de información; los plasmones se pueden dirigir a través de canales medidos en la nanoescala (mil millonésimas de metro), mucho más pequeño que en los dispositivos fotónicos convencionales.
Y dado que la densidad de los portadores de carga eléctrica del grafeno se puede influir fácilmente, es sencillo ajustar las propiedades electrónicas de las nanoestructuras de grafeno. Por estas y otras razones, dice Bostwick, "El grafeno es un candidato prometedor para aplicaciones mucho más pequeñas dispositivos mucho más rápidos:dispositivos plasmónicos a nanoescala que fusionan la electrónica y la fotónica ".
La imagen habitual de las bandas cónicas simples del grafeno no es una descripción completa, sin embargo; en cambio, es una imagen idealizada de electrones "desnudos". No solo los electrones (y huecos) interactúan continuamente entre sí y con otras entidades, la imagen tradicional de la banda prohibida no puede predecir los plasmarones recién descubiertos revelados por Bostwick y sus colaboradores.
El equipo informa sus hallazgos y discute las implicaciones en “Observaciones de plasmarones en grafeno dopado cuasi independiente, ”Por Aaron Bostwick, Florian Speck, Thomas Seyller, Cuerno de Karsten, Marco Polini, Reza Asgari, Allan H. MacDonald, y Eli Rotenberg, en la edición del 21 de mayo de 2010 de Ciencias , disponible en línea para suscriptores.
El grafeno es más familiar como las capas individuales que componen el grafito, la forma de carbón de mina de lápiz; Lo que hace que el grafito sea suave y un buen lubricante es que las capas de un solo átomo se deslizan fácilmente entre sí, sus átomos fuertemente enlazados en el plano pero débilmente enlazados entre planos. Desde la década de 1980, Las láminas de grafeno se han enrollado en nanotubos de carbono o esferoides buckyball cerrados. Los teóricos dudaron durante mucho tiempo de que las hojas de grafeno individuales pudieran existir a menos que se apilaran o se cerraran sobre sí mismas.
Luego, en 2004, se aislaron láminas de grafeno individuales, y el grafeno se ha utilizado desde entonces en muchos experimentos. Las láminas de grafeno suspendidas al vacío no funcionan para el tipo de estudios electrónicos que realizan Bostwick y Rotenberg en la línea de luz ALS 7.0.1. Utilizan una técnica conocida como espectroscopia de fotoemisión resuelta en ángulo (ARPES); para ARPES, la superficie de la muestra debe ser plana. El grafeno independiente rara vez es plano; en el mejor de los casos, se parece a una sábana arrugada.
Usando electrones para dibujar imágenes de partículas compuestas
“Una de las mejores formas de cultivar una hoja plana de grafeno es calentando un cristal de carburo de silicio, "Rotenberg dice, “Y sucede que nuestros colegas alemanes Thomas Seyller de la Universidad de Erlangen y Karsten Horn del Instituto Fritz Haber de Berlín son expertos en trabajar con carburo de silicio. A medida que el silicio se aleja de la superficie, deja una sola capa de carbono ".
El diagrama de banda prohibida de "electrones desnudos" del grafeno neutro (derecha) muestra la banda de valencia llena y la banda de conducción vacía formando dos conos que se encuentran en el cruce de Dirac (flecha). Pero incluso los resultados de ARPES de baja resolución (izquierda) sugieren que debajo del cruce de Dirac, la distribución de energía y momento de los portadores de carga no es tan simple.
Usando grafeno plano hecho de esta manera, los investigadores esperaban estudiar las propiedades intrínsecas del grafeno mediante ARPES. Primero, un haz de rayos X suaves de la ELA libera electrones del grafeno (fotoemisión). Luego, midiendo la dirección (ángulo) y la velocidad de los electrones emitidos, el experimento recupera su energía e impulso; el espectro de los electrones emitidos acumulados se transmite directamente a un detector bidimensional.
El resultado es una imagen de las bandas electrónicas creadas por los propios electrones. En el caso del grafeno, la imagen tiene forma de x, un corte transversal a través de las dos bandas cónicas.
"Incluso en nuestros experimentos iniciales con grafeno, sospechábamos que la distribución ARPES no era tan simple como la de dos conos, Se sugiere un modelo de electrones desnudos, ”Dice Rotenberg. "A baja resolución, parecía haber un nudo en las bandas en el cruce de Dirac". Porque realmente no existe un electrón desnudo, los investigadores se preguntaron si esta falta de claridad era causada por portadores de carga que emitían plasmones.
"Pero los teóricos pensaron que deberíamos ver efectos aún más fuertes, ”Dice Rotenberg, “Y entonces nos preguntamos si el sustrato estaba influyendo en la física. Una sola capa de átomos de carbono descansando sobre un sustrato de carburo de silicio no es lo mismo que el grafeno independiente ".
Los resultados detallados de ARPES revelan que las bandas de energía de los portadores de carga ordinarios (huecos) se encuentran en un solo punto, pero bandas cónicas de plasmarones se encuentran en un segundo, cruce de Dirac inferior. Entre estos cruces hay un anillo donde se cruzan el agujero y las bandas del plasmarón. La nueva imagen de la banda indica la fuerza con la que los plasmones se acoplan a los portadores de carga en el grafeno.
El sustrato de carburo de silicio podría, en principio, debilitar las interacciones entre las cargas del grafeno (en la mayoría de los sustratos se alteran las propiedades electrónicas del grafeno, y no se pueden observar los efectos plasmónicos). Por lo tanto, el equipo introdujo átomos de hidrógeno que se unían al carburo de silicio subyacente, aislar la capa de grafeno del sustrato y reducir su influencia. Ahora, la película de grafeno era lo suficientemente plana para estudiarla con ARPES, pero lo suficientemente aislada para revelar sus interacciones intrínsecas.
Las imágenes obtenidas por ARPES reflejan en realidad la dinámica de los huecos que quedan tras la fotoemisión de los electrones. La vida útil y la masa de los agujeros excitados están fuertemente sujetas a la dispersión de otras excitaciones como fonones (vibraciones de los átomos en la red cristalina), o creando nuevos pares de electrones-huecos.
"En el caso del grafeno, el electrón puede dejar un agujero ordinario o un agujero unido a un plasmón:un plasmarón, ”Dice Rotenberg.
Tomados en conjunto, las interacciones influyeron dramáticamente en el espectro ARPES. Cuando los investigadores depositaron átomos de potasio encima de la capa de átomos de carbono para agregar electrones adicionales al grafeno, a detailed ARPES picture of the Dirac crossing region emerged. It revealed that the energy bands of graphene cross at three places, ni uno.
Ordinary holes have two conical bands that meet at a single point, just as in the bare-electron, non-interacting picture. But another pair of conical bands, the plasmaron bands, meets at a second, lower Dirac crossing. Between these crossings lies a ring where the hole and plasmaron bands cross.
“By their nature, plasmons couple strongly to photons, which promises new ways for manipulating light in nanostructures, giving rise to the field of plasmonics, ” Rotenberg says. “Now we know that plasmons couple strongly to the charge carriers in graphene, which suggests that graphene may have an important role to play in the merging fields of electronics, fotónica, and plasmonics on the nanoscale.”
