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  • Midiendo la masa de electrones sin masa

    Esta imagen muestra al profesor Donhee Ham y su alumno Hosang Yoon en el laboratorio de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Harvard. Crédito:Eliza Grinnell, Harvard SEAS.

    (Phys.org) —Los electrones individuales del grafeno no tienen masa, pero cuando se mueven juntos, es una historia diferente. Grafeno una hoja de carbono de un átomo de espesor, ha conquistado el mundo de la física, en parte, porque sus electrones se comportan como partículas sin masa. Sin embargo, estos electrones parecen tener personalidades duales. Los fenómenos observados en el campo de los plasmónicos de grafeno sugieren que cuando los electrones se mueven colectivamente, deben exhibir masa.

    Después de dos años de esfuerzo, investigadores dirigidos por Donhee Ham, Profesor Gordon McKay de Ingeniería Eléctrica y Física Aplicada en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Harvard (SEAS), y su alumno Hosang Yoon, Ph.D.'14, han medido con éxito la masa colectiva de electrones "sin masa" en movimiento en el grafeno.

    Al arrojar luz sobre las propiedades cinéticas fundamentales de los electrones en el grafeno, Esta investigación también puede proporcionar una base para la creación de circuitos miniaturizados con pequeños, componentes a base de grafeno.

    Los resultados de las complejas mediciones de Ham y Yoon, realizado en colaboración con otros expertos en la Universidad de Columbia y el Instituto Nacional de Ciencia de Materiales en Japón, han sido publicados en línea en Nanotecnología de la naturaleza .

    "El grafeno es un material único porque, efectivamente, los electrones de grafeno individuales actúan como si no tuvieran masa. Lo que eso significa es que los electrones individuales siempre se mueven a una velocidad constante, "explica Ham." Pero supongamos que aplicamos una fuerza, como un campo eléctrico. La velocidad de los electrones individuales aún permanece constante, pero colectivamente, se aceleran y su energía total aumenta, al igual que las entidades con masa. Es bastante interesante."

    Sin esta masa el campo de los plasmónicos de grafeno no puede funcionar, así que el equipo de Ham sabía que tenía que estar allí, pero hasta ahora, nadie lo había medido con precisión.

    Se muestra un esquema de la configuración experimental. Ham y Yoon midieron el cambio de fase de una señal de microondas enviada a través del grafeno. Crédito:Hosang Yoon, Harvard SEAS.

    "Una de las mayores contribuciones de este trabajo es que en realidad es una medición extremadamente difícil, "dice Ham.

    Como dicta la segunda ley de Newton, una fuerza aplicada a una masa debe generar aceleración. Yoon y Ham sabían que si podían aplicar un campo eléctrico a una muestra de grafeno y medir la aceleración colectiva resultante de los electrones, luego podrían usar esos datos para calcular la masa colectiva.

    Pero las muestras de grafeno utilizadas en experimentos anteriores estaban repletas de imperfecciones e impurezas, lugares donde faltaba un átomo de carbono o había sido reemplazado por algo diferente. En esos experimentos pasados, los electrones se acelerarían pero se dispersarían muy rápidamente al chocar con las impurezas e imperfecciones.

    "El tiempo de dispersión fue tan corto en esos estudios que nunca se pudo ver la aceleración directamente, "dice Ham.

    Para superar el problema de la dispersión, fueron necesarios varios cambios inteligentes.

    Primero, Ham y Yoon unieron fuerzas con Philip Kim, un profesor de física en Columbia que se unirá a la facultad de Harvard el 1 de julio como profesor de física y de física aplicada. Un graduado de Harvard (Ph.D. '99), Kim es bien conocido por sus estudios fundamentales pioneros del grafeno y su experiencia en la fabricación de muestras de grafeno de alta calidad. El equipo ahora pudo reducir la cantidad de impurezas e imperfecciones intercalando el grafeno entre capas de nitruro de boro hexagonal. un material aislante con una estructura atómica similar. Al colaborar también con James Hone, profesor de ingeniería mecánica en Columbia, diseñaron una mejor manera de conectar líneas de señales eléctricas al grafeno intercalado. Y Yoon y Ham aplicaron un campo eléctrico a una frecuencia de microondas, lo que permite la medición directa de la aceleración colectiva de los electrones en forma de retardo de fase en la corriente.

    "Al hacer todo esto, traducimos la situación de completamente imposible a estar a punto de ver la aceleración o no, "dice Ham". Sin embargo, la dificultad seguía siendo muy abrumadora, y Hosang [Yoon] lo hizo posible mediante la realización de mediciones e ingeniería de microondas muy finas y sutiles, una formidable pieza de experimentación ".

    "A mi, fue un momento victorioso que finalmente justificó un esfuerzo a largo plazo, pasando por múltiples pruebas y errores, "dice Yoon, autor principal del artículo en Nanotecnología de la naturaleza . "Hasta entonces, Ni siquiera estaba seguro de si el experimento sería realmente posible, así que fue como un momento en el que 'a través de la oscuridad llega la luz' ".

    La masa colectiva es un aspecto clave para explicar los comportamientos plasmónicos en el grafeno. Al demostrar que los electrones de grafeno exhiben una masa colectiva y al medir su valor con precisión, Yoon dice:"Creemos que ayudará a las personas a comprender y diseñar dispositivos plasmónicos más sofisticados con grafeno".

    Los experimentos del equipo también revelaron que, en grafeno, La inductancia cinética (la manifestación eléctrica de la masa colectiva) es varios órdenes de magnitud mayor que otra, propiedad mucho más comúnmente explotada llamada inductancia magnética. Esto es importante en el impulso hacia circuitos electrónicos cada vez más pequeños, el tema principal de los circuitos integrados modernos, porque significa que se puede lograr el mismo nivel de inductancia en un área mucho más pequeña. Es más, Ham y Yoon dicen que este inductor cinético en miniatura basado en grafeno podría permitir la creación de un inductor de estado sólido controlado por voltaje, complementario al condensador controlado por voltaje ampliamente utilizado. Podría usarse para aumentar sustancialmente el rango de sintonización de frecuencia de los circuitos electrónicos, que es una función importante en las aplicaciones de comunicación.

    Por ahora, el desafío sigue siendo mejorar la calidad de las muestras de grafeno para que los efectos perjudiciales de la dispersión de electrones puedan reducirse aún más.


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