En dispositivos electrónicos convencionales, la electricidad requiere el movimiento de electrones (esferas azules) y sus contrapartes positivas, llamados agujeros (esferas rojas), que se comportan de forma muy parecida a las moléculas de gas de nuestra atmósfera. Aunque se mueven rápidamente y chocan con poca frecuencia en la fase gaseosa, los electrones y los huecos pueden condensarse en gotas líquidas similares al agua líquida en dispositivos compuestos de materiales ultrafinos. Crédito:QMO Lab, UC Riverside.
Al bombardear un sándwich de semiconductores ultradelgado con potentes pulsos de láser, físicos de la Universidad de California, Orilla, han creado el primer "electrón líquido" a temperatura ambiente.
El logro abre un camino para el desarrollo de los primeros dispositivos prácticos y eficientes para generar y detectar luz en longitudes de onda de terahercios, entre la luz infrarroja y las microondas. Estos dispositivos podrían utilizarse en aplicaciones tan diversas como las comunicaciones en el espacio ultraterrestre, detección de cáncer, y escaneo en busca de armas ocultas.
La investigación también podría permitir la exploración de la física básica de la materia a escalas infinitesimalmente pequeñas y ayudar a marcar el comienzo de una era de metamateriales cuánticos. cuyas estructuras están diseñadas en dimensiones atómicas.
Los físicos de la UCR publicaron sus hallazgos en línea el 4 de febrero en la revista Fotónica de la naturaleza . Fueron dirigidos por el Profesor Asociado de Física Nathaniel Gabor, quien dirige el Laboratorio de Optoelectrónica de Materiales Cuánticos de la UCR. Otros coautores fueron los miembros del laboratorio Trevor Arp y Dennis Pleskot, y el profesor asociado de Física y Astronomía Vivek Aji.
En sus experimentos, los científicos construyeron un sándwich ultrafino del semiconductor ditelururo de molibdeno entre capas de grafeno de carbono. La estructura en capas era ligeramente más gruesa que el ancho de una sola molécula de ADN. Luego bombardearon el material con pulsos láser ultrarrápidos, medido en cuadrillonésimas de segundo.
Al incorporar técnicas avanzadas de imágenes con estrategias intensivas en datos desarrolladas por estudiantes de UC Riverside que trabajan con el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA, Se ha desarrollado un nuevo tipo de microscopio que permitió la primera observación de un líquido electrónico a temperatura ambiente. Crédito:QMO Lab, UC Riverside.
"Normalmente, con semiconductores como el silicio, La excitación láser crea electrones y sus agujeros cargados positivamente que se difunden y se desplazan por el material. que es como se define un gas, "Dijo Gabor. Sin embargo, en sus experimentos, los investigadores detectaron evidencia de condensación en el equivalente de un líquido. Tal líquido tendría propiedades que se asemejan a líquidos comunes como el agua, excepto que consistiría, no de moléculas, sino de electrones y huecos dentro del semiconductor.
"Estábamos aumentando la cantidad de energía que se descargaba en el sistema, y no vimos nada, nada, nada, entonces de repente vimos la formación de lo que llamamos un 'anillo de fotocorriente anómalo' en el material, ", Dijo Gabor." Nos dimos cuenta de que era un líquido porque crecía como una gota, en lugar de comportarse como un gas ".
"Lo que realmente nos sorprendió, aunque, fue que sucedió a temperatura ambiente, ", dijo." Anteriormente, los investigadores que habían creado tales líquidos con agujeros de electrones solo habían podido hacerlo a temperaturas más frías que incluso en el espacio profundo ".
Las propiedades electrónicas de tales gotas permitirían el desarrollo de dispositivos optoelectrónicos que operan con una eficiencia sin precedentes en la región de terahercios del espectro. Dijo Gabor. Las longitudes de onda de terahercios son más largas que las ondas infrarrojas pero más cortas que las microondas, y ha existido una "brecha de terahercios" en la tecnología para utilizar tales ondas. Las ondas de terahercios podrían usarse para detectar cánceres de piel y caries dentales debido a su penetración limitada y su capacidad para resolver diferencias de densidad. Similar, las ondas podrían usarse para detectar defectos en productos como tabletas de drogas y descubrir armas ocultas debajo de la ropa.
Los transmisores y receptores de terahercios también podrían utilizarse para sistemas de comunicación más rápidos en el espacio exterior. Y, el líquido del agujero de electrones podría ser la base de las computadoras cuánticas, que ofrecen el potencial de ser mucho más pequeños que los circuitos basados en silicio que se utilizan actualmente, Dijo Gabor.
Más generalmente, Gabor dijo:la tecnología utilizada en su laboratorio podría ser la base para la ingeniería de "metamateriales cuánticos, "con dimensiones a escala de átomo que permiten una manipulación precisa de los electrones para hacer que se comporten de nuevas formas.
En estudios posteriores de los "nanopuddles de agujeros de electrones, "Los científicos explorarán sus propiedades líquidas como la tensión superficial.
"Ahora, no tenemos idea de qué tan líquido es este líquido, y sería importante averiguarlo, "Dijo Gabor.
Gabor también planea utilizar la tecnología para explorar fenómenos físicos básicos. Por ejemplo, enfriar el líquido del agujero de electrones a temperaturas ultrabajas podría hacer que se transforme en un "fluido cuántico" con exóticas propiedades físicas que podrían revelar nuevos principios fundamentales de la materia.
En sus experimentos, los investigadores utilizaron dos tecnologías clave. Para construir los bocadillos ultrafinos de ditelurida de molibdeno y grafeno de carbono, utilizaron una técnica llamada "estampación elástica". En este método, Se utiliza una película de polímero pegajoso para recoger y apilar capas de grafeno y semiconductor de un átomo de espesor.
Y tanto para bombear energía al sándwich de semiconductores como para visualizar los efectos, utilizaron "microscopía de fotorrespuesta dinámica multiparámetro" desarrollada por Gabor y Arp. En esta técnica, Se manipulan haces de pulsos láser ultrarrápidos para escanear una muestra y trazar un mapa óptico de la corriente generada.
