Una hoja de grafeno estirada a través de un espacio en un chip semiconductor. Imagen:Kirill Bolotkin
(PhysOrg.com) - Primero, eran las moléculas en forma de balón de fútbol llamadas buckyballs. Luego fueron los nanotubos de forma cilíndrica. Ahora, el material más novedoso en física y nanotecnología es el grafeno:una molécula notablemente plana hecha de átomos de carbono dispuestos en anillos hexagonales muy parecidos a una malla de gallinero molecular.
No solo es este el material más delgado posible, pero también es 10 veces más resistente que el acero y conduce la electricidad mejor que cualquier otro material conocido a temperatura ambiente. Estas y otras propiedades exóticas del grafeno han atraído el interés de los físicos, que quieran estudiarlos, y nanotecnólogos, que quieren explotarlos para hacer novedosos dispositivos eléctricos y mecánicos.
"Hay dos características que hacen que el grafeno sea excepcional, "dice Kirill Bolotin, quien acaba de unirse al Departamento de Física y Astronomía de Vanderbilt como profesor asistente. "Primero, su estructura molecular es tan resistente a los defectos que los investigadores han tenido que hacerlos a mano para estudiar qué efectos tienen. Segundo, los electrones que transportan carga eléctrica viajan mucho más rápido y generalmente se comportan como si tuvieran mucha menos masa que en los metales ordinarios o superconductores ".
Bolotin ha estado directamente involucrado en los esfuerzos para fabricar y caracterizar este nuevo material exótico como becario postdoctoral en el laboratorio de Philip Kim en la Universidad de Columbia. En un artículo publicado la semana pasada en la revista Naturaleza , él y sus colegas de Columbia informan que han logrado limpiar el grafeno lo suficiente como para que exhiba un extraño fenómeno eléctrico llamado efecto Hall cuántico fraccional. donde los electrones actúan juntos para crear nuevas partículas con cargas eléctricas que son una fracción de la de los electrones individuales.
Las capas de grafeno se encuentran en escamas de grafito como las de la mina de un lápiz. Imagen:Kirill Bolotkin
Aunque el grafeno es el primer material cristalino verdaderamente bidimensional que se ha descubierto, A lo largo de los años, los científicos han reflexionado mucho sobre cómo deberían comportarse los gases y sólidos bidimensionales. También han logrado crear una aproximación cercana a un gas de electrones bidimensional al unir dos semiconductores ligeramente diferentes. Los electrones están confinados a la interfaz entre los dos y sus movimientos están restringidos a dos dimensiones. Cuando dicho sistema se enfría a menos de un grado por encima del cero absoluto y se aplica un fuerte campo magnético, entonces aparece el efecto Hall cuántico fraccional.
Desde que los científicos descubrieron cómo hacer grafeno hace cinco años, han intentado que exhiba este efecto con sólo un éxito marginal. Según Bolotin, el grupo de Columbia descubrió que el problema era la interferencia de la superficie sobre la que estaba asentado el grafeno. Así que aplicaron técnicas de litografía de semiconductores para suspender láminas de grafeno ultralimpias entre postes microscópicos sobre la superficie de chips semiconductores. Cuando enfriaron esta configuración dentro de los seis grados del cero absoluto y aplicaron un campo magnético, el grafeno generó un robusto efecto Hall cuántico según lo predicho por la teoría.
La mejor manera de entender este efecto contrario a la intuición es pensar en los electrones en el grafeno como formando un (muy delgado) mar de carga. Cuando se aplica el campo magnético, genera remolinos en el fluido de electrones. Debido a que los electrones tienen carga negativa, estos vórtices tienen carga positiva. Se forman con cargas fraccionarias como un tercio, la mitad y dos tercios de la de un electrón. Estos portadores de carga positiva se atraen y se unen a los electrones de conducción, creando cuasi-partículas con cargas fraccionarias.
Comprender las propiedades eléctricas del grafeno es importante porque, a diferencia de los otros materiales utilizados por la industria electrónica, permanece estable y conductivo hasta la escala molecular. Como resultado, cuando la tecnología de silicio actual alcance su límite de miniaturización fundamental en los próximos años, el grafeno muy bien podría ocupar su lugar.
Esta ilustración muestra la punta de un microscopio de efecto túnel acercándose a una hoja ondulante de grafeno perfecto. © Calvin Davidson, British Carbon Group
Mientras tanto, Algunos físicos teóricos están interesados en el grafeno por una razón totalmente diferente:proporciona una nueva forma de probar sus teorías.
A medida que los electrones se mueven a través de metales ordinarios, interactúan con los campos eléctricos producidos por la red de átomos metálicos, que los empujan y tiran de una manera compleja. El resultado neto es que los electrones actúan como si tuvieran una masa diferente a la de los electrones ordinarios. Así que los físicos llaman a esto una "masa efectiva" y las consideran cuasipartículas. Cuando viajan a través del grafeno también actúan como cuasipartículas, pero se comportan como si tuvieran masa cero. Resulta que las cuasipartículas de grafeno, a diferencia de los de otros materiales, obedecer las reglas de la electrodinámica cuántica, las mismas ecuaciones relativistas que los físicos usan para describir el comportamiento de las partículas en los agujeros negros y los aceleradores de partículas de alta energía. Como resultado, este nuevo material puede permitir a los físicos realizar experimentos de sobremesa que prueben sus modelos teóricos de algunos de los entornos más extremos del universo.
Más información: www.nature.com/nature/journal/… ull / nature08582.html
Fuente:Universidad de Vanderbilt (noticias:web)
