Electrones dispuestos en una estructura similar a un pastel de bodas, una serie concéntrica de anillos aislantes (rojo) y conductores (azul), debido al confinamiento magnético en grafeno. La altura de cada nivel representa la energía de los electrones en ese nivel. Crédito:C. Gutiérrez / NIST
En un matrimonio de ciencia cuántica y física del estado sólido, Los investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han utilizado campos magnéticos para confinar grupos de electrones a una serie de anillos concéntricos dentro del grafeno. una sola capa de átomos de carbono muy compactos.
Este pastel de bodas escalonado "que aparece en imágenes que muestran la estructura del nivel de energía de los electrones, confirma experimentalmente cómo los electrones interactúan en un espacio estrechamente confinado de acuerdo con reglas de la mecánica cuántica no probadas durante mucho tiempo. Los hallazgos también podrían tener aplicaciones prácticas en la computación cuántica.
El grafeno es un material muy prometedor para los nuevos dispositivos electrónicos debido a su resistencia mecánica, su excelente capacidad para conducir electricidad y su ultrafino, estructura esencialmente bidimensional. Por estas razones, Los científicos agradecen cualquier conocimiento nuevo sobre este maravilloso material.
Los investigadores, que informan sus hallazgos en la edición del 24 de agosto de Ciencias , Comenzó su experimento creando puntos cuánticos, pequeñas islas que actúan como átomos artificiales, en dispositivos de grafeno enfriados a solo unos pocos grados por encima del cero absoluto.
Los electrones orbitan puntos cuánticos de manera similar a la forma en que estas partículas cargadas negativamente orbitan los átomos. Como peldaños de una escalera, solo pueden ocupar niveles de energía específicos de acuerdo con las reglas de la teoría cuántica. Pero sucedió algo especial cuando los investigadores aplicaron un campo magnético, que confinó aún más los electrones que orbitan el punto cuántico. Cuando el campo aplicado alcanzó una fuerza de aproximadamente 1 Tesla (unas 100 veces la fuerza típica de un pequeño imán de barra), los electrones se agruparon más juntos e interactuaron con más fuerza.
Como resultado, los electrones se reorganizaron en un patrón novedoso:una serie alterna de anillos concéntricos conductores y aislantes en la superficie. Cuando los investigadores apilaron imágenes de los anillos concéntricos registrados a diferentes niveles de energía de electrones, la imagen resultante se parecía a un pastel de bodas, con la energía de los electrones como dimensión vertical.
La imagen de espectroscopia de túnel de barrido muestra que los electrones confinados magnéticamente están dispuestos en una estructura de niveles de energía similar a un pastel de bodas, conocidos como niveles de Landau, etiquetado como ll (panel superior). Los electrones confinados a esos niveles crean una serie de anillos aislantes y conductores dentro del grafeno (panel inferior). Crédito:NIST
Un microscopio de barrido de efecto túnel, qué imágenes superficies con resolución de escala atómica registrando el flujo de electrones entre diferentes regiones de la muestra y la punta ultrafilada del lápiz óptico del microscopio, reveló la estructura.
"Este es un ejemplo de libro de texto de un problema, determinar cómo se ve el efecto combinado del confinamiento espacial y magnético de los electrones, que se resuelve en papel cuando se expone por primera vez a la mecánica cuántica, pero que nadie ha visto antes, ", dijo el científico y coautor del NIST Joseph Stroscio." La clave es que el grafeno es un material verdaderamente bidimensional con un mar de electrones expuestos en la superficie, ", agregó." En experimentos previos con otros materiales, Los puntos cuánticos estaban enterrados en las interfaces de los materiales, por lo que nadie había podido mirar dentro de ellos y ver cómo cambiaban los niveles de energía cuando se aplicaba un campo magnético ".
Los puntos cuánticos de grafeno se han propuesto como componentes fundamentales de algunas computadoras cuánticas.
"Como vemos que este comportamiento comienza en campos moderados de aproximadamente 1 Tesla, significa que estas interacciones electrón-electrón deberán tenerse en cuenta cuidadosamente al considerar ciertos tipos de puntos cuánticos de grafeno para la computación cuántica, "dijo el coautor del estudio, Christopher Gutiérrez, ahora en la Universidad de British Columbia en Vancouver, quien realizó el trabajo experimental en NIST con los coautores Fereshte Ghahari y Daniel Walkup de NIST y la Universidad de Maryland.
Este logro también abre posibilidades para que el grafeno actúe como lo que los investigadores llaman un "simulador cuántico relativista". La teoría de la relatividad describe cómo se comportan los objetos cuando se mueven a la velocidad de la luz o cerca de ella. Y los electrones del grafeno poseen una propiedad inusual:se mueven como si no tuvieran masa, como partículas de luz. Aunque los electrones en el grafeno en realidad viajan mucho más lento que la velocidad de la luz, su comportamiento sin masa, parecido a la luz, les ha valido el apodo de materia "relativista". El nuevo estudio abre la puerta a la creación de un experimento de sobremesa para estudiar la materia relativista fuertemente confinada.
Las mediciones sugieren que los científicos pronto encontrarán estructuras aún más exóticas producidas por las interacciones de electrones confinados a materiales en estado sólido a bajas temperaturas.
Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de NIST. Lea la historia original aquí.
