Durante unos 50 años, los científicos han trabajado para aprovechar las oscilaciones de Bloch, un tipo exótico de comportamiento de los electrones que podría introducir un nuevo campo de la física —y nuevas tecnologías importantes— al igual que el comportamiento electrónico más convencional ha llevado a todo, desde relojes inteligentes hasta computadoras lo suficientemente potentes para llevarnos a la Luna.

Ahora, Los físicos del MIT informan sobre un nuevo enfoque para lograr las oscilaciones de Bloch en superredes de grafeno recientemente introducidas. Grafeno un material compuesto por una sola capa de átomos de carbono dispuestos en hexágonos que se asemeja a una estructura de panal, es un excelente conductor de electricidad. Sus propiedades electrónicas sufren una interesante transformación en presencia de una "malla eléctrica" ​​(un potencial periódico), resultando en nuevos tipos de comportamiento de electrones que no se ven en materiales prístinos. En un número reciente de Cartas de revisión física , los científicos describen por qué las superredes de grafeno pueden cambiar las reglas del juego en la búsqueda de las oscilaciones de Bloch.

Normalmente, los electrones expuestos a un campo eléctrico constante se aceleran en línea recta. Sin embargo, La mecánica cuántica predice que los electrones en un cristal, o material compuesto por átomos dispuestos de manera ordenada, puede comportarse de manera diferente. Tras la exposición a un campo eléctrico, pueden oscilar en ondas diminutas:oscilaciones de Bloch. "Este comportamiento sorprendente es un ejemplo icónico de dinámica coherente en sistemas cuánticos de muchos cuerpos, "dice Leonid Levitov, profesor de física del MIT y líder del trabajo actual. Levitov también está afiliado al Laboratorio de Investigación de Materiales del MIT.

Autores adicionales son Ali Fahimniya y Zhiyu Dong, ambos estudiantes graduados del MIT en física, y Egor I. Kiselev del Karlsruher Institut fur Technologie.

Hacia nuevas aplicaciones

En tono rimbombante, Las oscilaciones de Bloch ocurren a un valor de frecuencia que es el mismo para todos los electrones y es sintonizable por el campo eléctrico aplicado. Más lejos, valores de frecuencia típicos, en el rango de terahercios, o billones de ciclos por segundo, se encuentran en el rango al que es difícil acceder por medios convencionales. La electrónica y la óptica de hoy funcionan a frecuencias por debajo y por encima del terahercio, respectivamente. "Las frecuencias de terahercios son algo intermedio, y no nos beneficiamos tanto de ellos como del resto del espectro, "Dice Levitov." Si pudiéramos acceder fácilmente a ellos, podría haber muchas aplicaciones, que van desde un mejor escaneo de seguridad no invasivo en los aeropuertos hasta nuevos diseños electrónicos ".

Debido a la interesante física y las posibles aplicaciones de las oscilaciones de Bloch, a lo largo de los años, muchos científicos han intentado demostrar el comportamiento. Oscilaciones de Bloch, sin embargo, son muy sensibles a los procesos de dispersión en el material debido a vibraciones de celosía (fonones) y desorden. Como resultado, aunque el trabajo anterior destinado a crear oscilaciones de Bloch fue extremadamente importante:un enfoque, apoyándose en superredes semiconductoras, condujo a un Premio Nobel y a los láseres de estado sólido de hoy en día; solo tuvo un éxito limitado hacia su objetivo original. "La gente vio firmas de oscilaciones de Bloch en estos sistemas, pero no al nivel que sería útil para algo práctico. Inevitablemente hubo un desfasaje, que resultó ser bastante condenatorio [para el fenómeno], "Dice Levitov.

Un nuevo material

Introduzca un nuevo material conocido como grafeno muaré. Pionero en el MIT por el profesor de física Pablo Jarillo-Herrero, El grafeno moiré está compuesto por dos láminas de capas atómicamente delgadas de grafeno colocadas una encima de la otra y giradas en un ligero ángulo. "Y según la teoría, este material debería ser un candidato ideal para ver las oscilaciones de Bloch, ", Dice Levitov. En el artículo reciente, él y sus colegas analizaron los parámetros del material que impactan cómo se mueven los electrones en él y qué tan poco desorden tiene, y "mostramos que en todas las cuentas, El grafeno muaré es tan bueno como las superredes semiconductoras, o mejor."

Es más, otras variedades atractivas de superredes han aparecido recientemente, que involucra grafeno emparejado con nitruro de boro hexagonal, o con superredes dieléctricas modeladas. Entre las ventajas adicionales, Las superredes de grafeno son mucho más fáciles de hacer que las complicadas estructuras clave del trabajo anterior. "Esos sistemas fueron producidos por solo unos pocos grupos altamente calificados en todo el mundo, ", Dice Levitov. El grafeno Moiré ya lo están fabricando varios grupos solo en EE. UU., y muchos más en todo el mundo.

Finalmente, Levitov y sus colegas dicen:El grafeno moiré cumple otro criterio importante para hacer prácticas las oscilaciones de Bloch. Mientras que los electrones involucrados en las oscilaciones lo hacen a la misma frecuencia de terahercios, sin un poco de ayuda lo harán de forma independiente. La clave es convencerlos de que oscilen en sincronía. "Si puedes hacer eso, luego se pasa de esencialmente un fenómeno de un electrón a oscilaciones macroscópicas que serán fácilmente detectables y muy utilizables porque se convertirán en una fuente de corriente macroscópica, "Dice Levitov. Los científicos creen que los electrones en el grafeno muaré deberían ser bastante susceptibles de sincronización utilizando técnicas estándar.

Dmitri Basov, Profesor Higgins y Catedrático de Física en la Universidad de Columbia, comentarios "Como muchas otras predicciones de Leonid Levitov y su equipo, Este nuevo resultado sobre las oscilaciones de Bloch seguramente motivará numerosos estudios experimentales. Predigo que no será fácil observar las oscilaciones de Bloch en los sistemas de banda plana muaré, pero ciertamente lo intentaremos ". Basov no participó en el trabajo informado en Cartas de revisión física .

Levitov está emocionado por continuar el trabajo, que incluirá a estudiantes universitarios del MIT. "La mejor parte de esto vendrá más adelante cuando veamos resultados experimentales que prueben la idea, " él dice.