Este topógrafo STM con zoom muestra uno de los trímeros de cobalto colocados en el grafeno para la creación de potenciales de Coulomb, impurezas cargadas, a las que los electrones y los huecos podrían responder. (Imagen cortesía del grupo Crommie)
(Phys.org) - Quizás ningún otro material esté generando tanta emoción en el mundo de la electrónica como el grafeno, láminas de carbono puro de un solo átomo de espesor a través de las cuales los electrones pueden correr a casi la velocidad de la luz, 100 veces más rápido de lo que se mueven a través del silicio. Super delgado, Super fuerte, superflexible y superrápido como conductor eléctrico, El grafeno ha sido promocionado como un material maravilloso potencial para una gran cantidad de aplicaciones electrónicas, comenzando con transistores ultrarrápidos. Para que se aproveche plenamente el vasto potencial del grafeno, sin embargo, Los científicos primero deben aprender más sobre lo que hace que el grafeno sea tan extraordinario. El último paso en esta dirección lo han dado investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) y la Universidad de California Berkeley.
Michael Crommie, un físico que tiene nombramientos conjuntos con la División de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab y el Departamento de Física de UC Berkeley, dirigió un estudio en el que se registraron las primeras observaciones directas a longitudes microscópicas de cómo los electrones y los huecos responden a una impureza cargada, un potencial de Coulomb único, colocada en un dispositivo de grafeno con compuerta. Los resultados brindan apoyo experimental a la teoría de que las interacciones entre electrones son fundamentales para las extraordinarias propiedades del grafeno.
“Hemos demostrado que los electrones en el grafeno se comportan de manera muy diferente alrededor de impurezas cargadas que los electrones en otros materiales, —Dice Crommie. “Algunos investigadores han sostenido que las interacciones electrón-electrón no son importantes para las propiedades intrínsecas del grafeno, mientras que otros han argumentado que sí. Nuestras primeras imágenes de cómo los electrones ultrarrelativistas se reorganizan en respuesta a un potencial de Coulomb descienden del lado de que las interacciones electrón-electrón son un factor importante ".
Crommie es el autor correspondiente de un artículo que describe este estudio publicado en la revista Nature Physics. El artículo se titula "Mapeo de cuasipartículas de Dirac cerca de una sola impureza de Coulomb en grafeno". Los coautores de este artículo fueron Yang Wang, Víctor Brar, Andrey Shytov, Qiong Wu, William Regan, Hsin-Zon Tsai, Alex Zettl y Leonid Levitov.
Las láminas de grafeno están compuestas por átomos de carbono dispuestos en una red bidimensional con patrón hexagonal, como un panal. Los electrones que se mueven a través de esta red en forma de panal imitan perfectamente el comportamiento esperado de partículas cargadas altamente relativistas sin masa:piense en un rayo de luz que está cargado eléctricamente. Debido a que este es el mismo comportamiento que muestran los electrones libres altamente relativistas, los portadores de carga en el grafeno se denominan "cuasipartículas de Dirac, ”Después de Paul Dirac, el científico que describió por primera vez el comportamiento de los fermiones relativistas en 1928.
Se observó que la respuesta de los electrones ultrarelativistas en el grafeno a los potenciales de Coulomb creados por los trímeros de cobalto era significativamente diferente a la respuesta de los electrones no relativistas en los sistemas atómicos y de impurezas tradicionales. (Imagen cortesía del grupo Crommie)
"En grafeno, los electrones se comportan como fermiones de Dirac sin masa, —Dice Crommie. "Como tal, Se predice que la respuesta de estos electrones a un potencial de Coulomb diferirá significativamente de cómo se comportan los electrones no relativistas en los sistemas atómicos y de impurezas tradicionales. Sin embargo, hasta ahora, muchas predicciones teóricas clave para este sistema ultrarrelativista no habían sido probadas ".
Trabajando con un microscopio de túnel de barrido (STM) especialmente equipado en vacío ultra alto, Crommie y sus colegas probaron dispositivos con compuerta que consisten en una capa de grafeno depositada sobre escamas de nitruro de boro que se colocaron sobre un sustrato de dióxido de silicio. el más común de los sustratos semiconductores.
“El uso de nitruro de boro redujo significativamente la falta de homogeneidad de carga del grafeno, lo que nos permite sondear la respuesta electrónica intrínseca del grafeno a las impurezas cargadas individuales, —Dice Crommie. En este estudio, las impurezas cargadas eran trímeros de cobalto construidos sobre grafeno manipulando atómicamente monómeros de cobalto con la punta de un STM ".
El STM utilizado para fabricar los trímeros de cobalto también se utilizó para mapear (a través de la variación espacial en la estructura electrónica del grafeno) la respuesta de las cuasipartículas de Dirac, tanto de tipo electrón como de agujero, al potencial de Coulomb creado por los trímeros. La comparación de la asimetría electrón-hueco observada con las simulaciones teóricas permitió al equipo de investigación no solo probar las predicciones teóricas sobre cómo se comportan los fermiones de Dirac cerca de un potencial de Coulomb, sino también para extraer la constante dieléctrica del grafeno.
"Los teóricos han predicho que, en comparación con otros materiales, los electrones en el grafeno se introducen en una impureza cargada positivamente o demasiado débilmente, el régimen subcrítico; o demasiado fuerte, el régimen supercrítico, —Dice Crommie. "En nuestro estudio, Verificamos las predicciones para el régimen subcrítico y encontramos que el valor del dieléctrico es lo suficientemente pequeño como para indicar que las interacciones electrón-electrón contribuyen significativamente a las propiedades del grafeno. Esta información es fundamental para comprender cómo se mueven los electrones a través del grafeno ".
