Se cultivó una escama de grafeno sobre cobre y se transfirió a un sustrato aislante de dióxido de silicio. La energía de Fermi en el grafeno se ajustó variando el voltaje de la puerta en el gel de iones superpuesto, que confina un líquido fuertemente conductor en una matriz de polímero. Crédito:Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley
Científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) y la Universidad de California, Berkeley ha aprendido a controlar las vías cuánticas que determinan cómo se dispersa la luz en el grafeno. La dispersión controlada proporciona una nueva herramienta para el estudio de este material único (el grafeno es una sola hoja de carbono de solo un átomo de espesor) y puede apuntar a aplicaciones prácticas para controlar la luz y los estados electrónicos en nanodispositivos de grafeno.
El equipo de investigación dirigido por Feng Wang de la División de Ciencias de los Materiales de Berkeley Lab, hizo la primera observación directa, en grafeno, de la llamada interferencia cuántica en la dispersión Raman. La dispersión Raman es una forma de dispersión de luz "inelástica". A diferencia de la dispersión elástica, en el que la luz dispersa tiene el mismo color (la misma energía) que la luz incidente, la luz dispersada de forma inelástica pierde energía o la gana.
La dispersión Raman ocurre en el grafeno y otros cristales cuando un fotón entrante, una partícula de luz, excita un electrón, que a su vez genera un fonón junto con un fotón de menor energía. Los fonones son vibraciones de la red cristalina, que también son tratadas como partículas por la mecánica cuántica.
Las partículas cuánticas son tanto ondas como partículas, para que puedan interferir entre sí e incluso consigo mismos. Los investigadores demostraron que la emisión de luz se puede controlar controlando estas vías de interferencia. Presentan sus resultados en un próximo número de la revista. Naturaleza , ahora disponible en Publicación avanzada en línea.
Manipular la interferencia cuántica, en la vida y en el laboratorio
"Un ejemplo familiar de interferencia cuántica en la vida cotidiana es el revestimiento antirreflectante de los anteojos, "dice Wang, quien también es profesor asistente de física en UC Berkeley. "Un fotón puede seguir dos caminos, dispersión del revestimiento o del vidrio. Debido a su naturaleza cuántica, en realidad sigue a ambos, y el revestimiento está diseñado para que las dos vías interfieran entre sí y cancelen la luz que de otro modo causaría reflejos ".
Las vías cuánticas en la dispersión Raman son excitaciones electrónicas estimuladas ópticamente que solo son posibles si el estado electrónico inicial está lleno y el estado final está vacío (arriba). A medida que se eliminan las vías dopando el grafeno y reduciendo la energía de Fermi (abajo), la luz de la dispersión puede aumentar o disminuir, dependiendo de si las vías eliminadas interfieren constructiva o destructivamente con las vías restantes. Crédito:Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley
Wang agrega, "El sello distintivo de la mecánica cuántica es que si los diferentes caminos no son distinguibles, siempre deben interferir entre sí. Podemos manipular la interferencia entre las vías cuánticas que son responsables de la dispersión Raman en el grafeno debido a la peculiar estructura electrónica del grafeno ".
En dispersión Raman, las vías cuánticas son excitaciones electrónicas, que son estimulados ópticamente por los fotones entrantes. Estas excitaciones solo pueden ocurrir cuando el estado electrónico inicial está lleno (por una partícula cargada como un electrón), y el estado electrónico final está vacío.
La mecánica cuántica describe los electrones que llenan los estados electrónicos disponibles de un material de la misma manera que el agua llena el espacio en un vaso:la "superficie del agua" se llama nivel de Fermi. Todos los estados electrónicos debajo de él están llenos y todos los estados arriba están vacíos. Los estados de llenado se pueden reducir "dopando" el material para reducir la energía de Fermi. A medida que se reduce la energía de Fermi, los estados electrónicos justo encima de él se eliminan, y también se eliminan las vías de excitación que se originan en estos estados.
“Pudimos controlar las vías de excitación en el grafeno dopando electrostáticamente, aplicando voltaje para reducir la energía de Fermi y eliminar estados seleccionados, "Dice Wang." Una cosa asombrosa sobre el grafeno es que su energía Fermi se puede desplazar en órdenes de magnitud más grandes que los materiales convencionales. En última instancia, esto se debe a la bidimensionalidad del grafeno y sus inusuales bandas electrónicas ".
La energía de Fermi del grafeno sin dopar se encuentra en un solo punto, donde sus bandas llenas electrónicamente, representado gráficamente como un cono que apunta hacia arriba, conocer sus bandas electrónicamente vacías, representado como un cono que apunta hacia abajo. Para mover la energía de Fermi de manera apreciable se requiere un fuerte campo eléctrico.
Miembro del equipo Rachel Segalman, un profesor asociado de ingeniería química en UC Berkeley y un científico de la facultad en la División de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab, proporcionó el gel de iones que fue clave para el dispositivo experimental. Un gel de iones confina un líquido fuertemente conductor en una matriz de polímero. El gel se colocó sobre una escama de grafeno, cultivado en cobre y transferido a un sustrato aislante. La carga en el grafeno se ajustó por el voltaje de la puerta en el gel de iones.
"Entonces, al aumentar el voltaje, bajamos la energía Fermi del grafeno, deshacerse secuencialmente de los electrones de mayor energía, "dice Wang. Eliminando electrones, desde las energías más elevadas hacia abajo, eliminó eficazmente las vías que, cuando se ve afectado por fotones entrantes, podría absorberlos y luego emitir fotones dispersos por Raman.
Lo que viene de la interferencia, constructivo y destructivo
"La gente siempre ha sabido que la interferencia cuántica es importante en la dispersión Raman, pero ha sido difícil de ver ", dice Wang." Aquí es muy fácil ver la contribución de cada estado ".
La eliminación de las vías cuánticas una por una altera las formas en las que pueden interferir. Los cambios son visibles en la intensidad de dispersión Raman emitida por el dispositivo experimental cuando fue iluminado por un rayo de luz láser en el infrarrojo cercano. Aunque el brillo de la dispersión es mucho más débil que la excitación del infrarrojo cercano, los cambios en su brillo se pueden medir con precisión.
Feng Wang junto a un diagrama que muestra cómo la reducción de la energía de Fermi elimina las vías cuánticas en el grafeno (abajo a la izquierda). El gráfico superior revela que cuando se bloquean las vías cuánticas que interfieren destructivamente, La intensidad de la dispersión Raman está fuertemente mejorada (azul pálido vertical, etiquetado G). Al mismo esparcimiento, y a valores específicos de la energía Fermi, la trama revela "luminiscencia de electrones calientes" (etiquetada como H.L.). Crédito:Roy Kaltschmidt, Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley
"En la física clásica, esperaría ver que la luz dispersa se atenúa a medida que elimina las vías de excitación, "dice Wang, pero los resultados del experimentador fueron una sorpresa para todos. "¡En cambio, la señal se hizo más fuerte!"
La luz dispersa se hizo más brillante a medida que se reducían las vías de excitación, lo que Wang llama "una firma canónica de interferencia cuántica destructiva".
¿Por qué "destructivamente"? Debido a que los fonones y los fotones dispersos pueden ser excitados por muchos diferentes, caminos no distinguibles que interfieren entre sí, bloquear un camino puede disminuir o aumentar la dispersión de la luz, dependiendo de si ese camino estaba interfiriendo constructiva o destructivamente con los demás. En grafeno, las vías de energía más baja y más alta interfirieron destructivamente. La eliminación de uno de ellos aumentó así el brillo de la emisión.
"Lo que hemos demostrado es la naturaleza de interferencia cuántica de la dispersión Raman, "Dice Wang." Siempre estuvo ahí, pero era tan difícil de ver que a menudo se pasaba por alto ".
En una segunda observación, los investigadores encontraron otro ejemplo inesperado de dispersión de luz inelástica. Éste, "luminiscencia de electrones calientes, "no fue el resultado de vías cuánticas bloqueadas, sin embargo.
Cuando se aplica un voltaje fuerte y se reduce la energía Fermi del grafeno, los estados de electrones de mayor energía se vacían de la banda llena. Electrones que están muy excitados por los fotones entrantes, suficiente para saltar a la banda vacía, así encontrar oportunidades adicionales para volver a los estados ahora vacantes en lo que era la banda llena. Pero estos electrones "calientes" solo pueden retroceder si emiten un fotón de la frecuencia correcta. La luminiscencia de electrones calientes observada por los investigadores tiene una intensidad integrada cien veces más fuerte que la dispersión Raman.
El camino tomado
El poeta Robert Frost escribió acerca de encontrar dos caminos que se bifurcaban en un bosque, y lamentó no poder viajar a ambos. Los procesos cuánticos no solo pueden tomar ambos caminos a la vez, pueden interferir con ellos mismos al hacerlo.
El equipo de investigación trabajando en UC Berkeley y en Advanced Light Source de Berkeley Lab, ha demostrado que la dispersión de luz inelástica se puede controlar controlando la interferencia entre los estados intermedios entre la absorción y la emisión de fotones. Manipular esa interferencia ha permitido nuevos tipos de control cuántico de reacciones químicas, así como de estados "espintrónicos", en el que no se ven afectados la carga, sino los espines cuánticos de los electrones. La dispersión Raman fuertemente mejorada puede ser de gran ayuda para la investigación de materiales a nanoescala. La luminiscencia caliente es potencialmente atractiva para la optoelectrónica y la investigación biológica, en el que las etiquetas de infrarrojo cercano, incluso las débiles, podrían ser muy útiles.
"Del mismo modo, el fenómeno de la luminiscencia de electrones calientes, porque sigue inmediatamente a la excitación por un láser de sonda, podría convertirse en una valiosa herramienta de investigación, "dice Wang, "especialmente para estudiar la dinámica de electrones ultrarrápida, una de las principales características inusuales del grafeno ".
