Se espera que el grafeno se comporte como un crítico cuántico, Plasma relativista conocido como "fluido de Dirac" cercano a la neutralidad de carga en el que los electrones sin masa y los huecos chocan rápidamente. En un estudio reciente ahora publicado en Ciencias , Patrick Gallagher y colaboradores de los departamentos de física y ciencia de los materiales en los EE. UU., Taiwán China y Japón utilizaron espectroscopía de terahercios en chip y midieron la conductividad óptica dependiente de la frecuencia del grafeno entre 77 K y 300 K de temperaturas de electrones por primera vez. Adicionalmente, los científicos observaron la característica de velocidad de dispersión crítica cuántica del fluido de Dirac. A mayor dopaje, Gallagher y col. descubrió dos modos distintos de transporte de corriente con momentos totales cero y distintos de cero como una manifestación de la hidrodinámica relativista.

El trabajo reveló la criticidad cuántica del material en el que cada sitio está en una superposición cuántica de orden y desorden (similar al hipotético gato de Schrödinger en una superposición cuántica de 'muerto' y 'vivo') y la excitación dinámica inusual en el grafeno cerca de la carga. neutralidad. Los físicos consideran que los efectos relativistas cuánticos en los sistemas experimentales que influyen en la materia condensada son demasiado pequeños para una descripción precisa mediante la ecuación de Schrödinger no relativista. Como resultado, estudios anteriores han informado sobre sistemas experimentales de materia condensada como el grafeno (una sola capa atómica de carbono) en el que el transporte de electrones se rige por la ecuación (relativista) de Dirac.

La teoría de Landau del líquido de Fermi define las interacciones de electrones de un metal típico como un gas ideal de cuasipartículas que no interactúan. En grafeno monocapa, esta descripción no se aplica debido a su estructura de bandas de dispersión lineal e interacciones de Coulomb mínimamente filtradas. Casi neutralidad de carga, Por lo tanto, se espera que el grafeno albergue un "fluido de Dirac, "que es un plasma crítico cuántico de electrones y huecos que se rigen por una hidrodinámica relativista. En grafeno ligeramente dopado, una consecuencia sorprendente de la hidrodinámica relativista es que la corriente puede ser transportada por dos modos distintos; con momentos totales cero y distintos de cero, también denominados "ondas de energía" y "plasmones" en algunos estudios.

A medida que aumentaba el dopaje, Se esperaba que el peso del modo de momento cero disminuyera, mientras que el del modo de momento finito aumentó para pasar suavemente del comportamiento del fluido de Dirac al del líquido de Fermi. Experimentos previos sobre limpieza, grafeno monocapa han demostrado la física de muchos cuerpos en el grafeno, con ejemplos que incluyen estudios sobre fenómenos de transporte de baja frecuencia consistentes con descripciones hidrodinámicas. Experimentos adicionales indicaron una violación de la ley de Wiedemann-Franz, como una firma del fluido de Dirac y como evidencia directa del movimiento colectivo en un fluido electrónico cuántico, y el flujo viscoso de electrones. Aunque se ha demostrado que las colisiones entre electrones y huecos limitan la conductividad en el grafeno bicapa de carga neutra, la observación directa de la conductividad crítica cuántica del fluido de Dirac sigue siendo esquiva.

Experimentalmente, La espectroscopia de terahercios en el dominio del tiempo es una sonda ideal en un amplio rango de frecuencias para observar la conductividad crítica cuántica. pero el uso del dispositivo está limitado a películas de gran superficie de menor calidad, dentro del cual se oscurece la física de fluidos de Dirac. En el presente trabajo, por lo tanto, Gallagher y col. aprovechó el confinamiento de sublongitud de onda de una guía de onda coplanar para medir la conductividad óptica en terahercios del grafeno, a un espesor de escala de diez micrones, encapsulado dentro de nitruro de boro hexagonal (HBN). Utilizaron la configuración experimental para medir la conductividad del material a temperaturas de electrones (T _mi ) que oscilan entre 77 y 300 K para confirmar la tasa de dispersión crítica cuántica cerca de la neutralidad de carga. Los científicos también demostraron la coexistencia de modos de momento nulo y finito en el dopaje distinto de cero.

En la configuración experimental, Gallagher y col. utilizaron interruptores fotoconductores hechos de materiales semiconductores con una vida útil de portadora de aproximadamente un picosegundo (ps) para lograr la emisión y detección de pulsos de terahercios. El interruptor del emisor que contactaba con la traza de la guía de ondas inferior estaba polarizado con un voltaje de CC. Cuando se activa por un pulso láser, el emisor polarizado se volvió altamente conductor durante 1 ps. El proceso inyectó un pulso de corriente en la guía de ondas coplanar para interactuar con el grafeno antes de alcanzar un interruptor detector que abarca ambos trazos. En la práctica, los científicos obtuvieron menos ruido al controlar la longitud del camino óptico y detectar la corriente, para medir el perfil en el dominio del tiempo del pulso de voltaje transmitido (dV / dt).

Después de optimizar las condiciones experimentales, Los científicos primero investigaron la conductividad óptica del líquido de Fermi a 77 K (T ₀ ). Las formas de onda transmitidas contenían características de subpicosegundos que evolucionaron con el voltaje de la puerta para dar como resultado una transmisión máxima con neutralidad de carga. Para extraer la conductividad óptica de los datos en el dominio del tiempo y justificar las simulaciones de elementos finitos, los científicos modelaron el dispositivo como un infinito, Línea de transmisión sin pérdidas. Gallagher y col. luego sondeó el transporte con neutralidad de carga observando el cambio en la transmisión de terahercios (∆V) calentando ópticamente el sistema de electrones desde T ₀ =77 K a diferentes temperaturas de los electrones (T _mi ). Para variar la temperatura en la configuración experimental, ajustaron el retardo entre la bomba óptica y el pulso de la sonda en terahercios.

En todas las medidas, los científicos doparon fuertemente el grafeno debajo de las trazas de la guía de ondas para minimizar su impedancia. Las tasas de dispersión extraídas a 77 K estaban por debajo de 0,5 y 1 THz, lo que indica una dispersión infrecuente por desorden y fonones, coherente con estudios de transporte previos de dopaje similar; confirmando así el comportamiento líquido de Fermi anticipado del grafeno. Los científicos probaron el transporte con neutralidad de carga al observar el cambio en la transmisión de terahercios. Para esto, calentaron ópticamente el sistema y calcularon el cambio correspondiente en la conductividad y la corriente transportada en el grafeno de carga neutra en condiciones experimentales. La evolución lineal observada en los experimentos fue una característica clave de las interacciones carga-portador en el fluido de Dirac crítico cuántico.

De este modo, Gallagher y col. demostró elegantemente la concordancia cuantitativa entre los resultados experimentales y la teoría hidrodinámica relativista del grafeno fluido de Dirac. Los científicos insinuaron que el grafeno debería albergar fenómenos relativistas que no se observan en los sistemas electrónicos típicos (a los que no se aplica la hidrodinámica relativista). Por ejemplo, en metales convencionales, Las ondas sonoras electrónicas se transforman en plasmones o son destruidas por la relajación del impulso. Sin embargo, Los nuevos resultados indican que tales ondas pueden existir en el grafeno de carga neutra como resultado de un bajo desorden y un acoplamiento cero a los modos de plasmón. El trabajo experimental de Gallagher et al. así proporcionó acceso a la física sutil y rica de la hidrodinámica relativista del grafeno en un experimento de laboratorio. Otros experimentos pueden investigar la resonancia ciclotrónica del grafeno a altas temperaturas en el futuro.

© 2019 Science X Network