Esta es una imagen de microscopio de efecto túnel de barrido de una sola capa de grafeno sobre platino con cuatro nanoburbujas en el borde grafeno-platino y una en el interior del parche. El recuadro muestra una imagen de alta resolución de una nanoburbuja de grafeno y su celosía en forma de panal distorsionada debido a la tensión en la burbuja. Crédito:laboratorio Crommie, UC Berkeley
Considerado como un posible reemplazo de los semiconductores basados en silicio, grafeno una hoja de carbono puro, se ha descubierto que tiene una propiedad poco común y sorprendente que podría hacer que se adapte mejor a los dispositivos electrónicos futuros.
Físicos de la Universidad de California, Berkeley, y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (LBNL) han descubierto que estirar el grafeno de una manera específica produce nanoburbujas, obligando a los electrones a comportarse como si un fuerte campo magnético los estuviera moviendo.
En lugar de utilizar bandas de energía, como en el grafeno no filtrado, los electrones dentro de cada nanoburbuja individual se dividen en niveles de energía cuantificados. "Los niveles de energía son idénticos a los que ocuparía un electrón si se moviera en círculos en un campo magnético muy fuerte; tan alto como 300 tesla, que es más grande de lo que cualquier laboratorio puede producir excepto en breves explosiones, "dijo Michael Crommie, profesor de física en UC Berkeley e investigador de la facultad en LBNL. "Esto nos da una nueva forma de controlar cómo se mueven los electrones en el grafeno, y así controlar las propiedades electrónicas del grafeno, a través de la tensión. Controlando dónde se agrupan los electrones y a qué energía, podría hacer que se muevan más o menos fácilmente a través del grafeno, en efecto, controlando su conductividad, Propiedades ópticas o de microondas. El control del movimiento de los electrones es la parte más esencial de cualquier dispositivo electrónico ".
Mientras que el campo magnético de la Tierra a nivel del suelo es de 31 microtesla, Los generadores de imágenes de resonancia magnética utilizan imanes de menos de 10 tesla. Crommie y sus colegas informarán sobre el descubrimiento en la edición del 30 de julio de la revista. Ciencias .
Crommie está ansioso por utilizar la propiedad anormal del grafeno para investigar cómo funcionan los electrones en campos que, hasta ahora, no se han obtenido en el laboratorio, a pesar de las implicaciones de ingeniería del descubrimiento. "Cuando subes un campo magnético, comienzas a ver un comportamiento muy interesante porque los electrones giran en círculos diminutos, ", dijo." Este efecto nos da una nueva forma de inducir este comportamiento, incluso en ausencia de un campo magnético real ".
Entre los comportamientos extraños observados de los electrones en campos magnéticos fuertes se encuentran el efecto Hall cuántico y el efecto Hall cuántico fraccional, cuando los electrones a bajas temperaturas también caen en niveles de energía cuantificados.
Descubierto por accidente, El nuevo efecto se encontró cuando un investigador postdoctoral de UC Berkeley y estudiantes en el laboratorio de Crommie cultivaron grafeno en la superficie de un cristal de platino. Al igual que el alambre de gallinero, El grafeno es una hoja de átomos de carbono de un átomo de espesor dispuestas en un patrón hexagonal. Cuando se cultiva en platino, los átomos de carbono no se alinean con la estructura cristalina triangular de la superficie del metal. esta, Sucesivamente, crea un patrón de tensión en el grafeno como si fuera extraído de tres direcciones diferentes.
En esta imagen de microscopía de túnel de barrido de una nanoburbuja de grafeno, el cristal de grafeno bidimensional hexagonal se ve distorsionado y estirado a lo largo de tres ejes principales. La tensión crea campos pseudo-magnéticos mucho más fuertes que cualquier campo magnético jamás producido en el laboratorio Crédito:cortesía de Micheal Crommie, Laboratorio de Berkeley
"La cepa produce pequeñas, burbujas de grafeno triangulares elevadas de 4 a 10 nanómetros de ancho en las que los electrones ocupan niveles de energía discretos en lugar de los anchos, rango continuo de energías permitidas por la estructura de bandas del grafeno no tensado. Este nuevo comportamiento electrónico se detectó espectroscópicamente mediante microscopía de túnel de barrido. Estos llamados niveles de Landau recuerdan los niveles de energía cuantificados de los electrones en el modelo simple de Bohr del átomo, "Dijo Crommie.
Predicho por primera vez para los nanotubos de carbono en 1997 por Charles Kane y Eugene Mele de la Universidad de Pensilvania, fue la aparición de un campo pseudomagnético en respuesta a la tensión en el grafeno. Los nanotubos son simplemente una forma enrollada de grafeno.
Sin embargo, en el último año, Francisco Guinea del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid en España, Mikhael Katsnelson de la Universidad Radboud de Nijmegen, Los países bajos, y A. K. Geim de la Universidad de Manchester, Inglaterra predijo un efecto Hall pseudocuántico en el grafeno tensado. Esta es la misma cuantificación que ha observado el grupo de investigación de Crommie. Visitando el laboratorio de Crommie en el momento del descubrimiento, Físico de la Universidad de Boston, Antonio Castro Neto, reconoció inmediatamente las implicaciones de los datos. Experimentos posteriores confirmados, reflejó el efecto Hall pseudocuántico como se predijo.
"Los teóricos a menudo se aferran a una idea y la exploran teóricamente incluso antes de que se realicen los experimentos, ya veces se les ocurren predicciones que parecen un poco locas al principio. Lo que es tan emocionante ahora es que tenemos datos que muestran que estas ideas no son tan locas, ", Dijo Crommie." La observación de estos campos pseudomagnéticos gigantes abre la puerta a la 'tensióntrónica a temperatura ambiente, "la idea de utilizar deformaciones mecánicas en el grafeno para diseñar su comportamiento para diferentes aplicaciones de dispositivos electrónicos".
Crommie también señaló, los "campos pseudomagnéticos" dentro de las nanoburbujas son lo suficientemente altos como para que los niveles de energía estén separados por cientos de milivoltios, que es mucho más alta que la temperatura ambiente. Incluso a temperatura ambiente, el ruido térmico no interferiría con este efecto en el grafeno. Sin embargo, Los experimentos de nanoburbujas realizados en el laboratorio de Crommie se realizaron a temperaturas muy bajas.
Los electrones que se mueven en un campo magnético normalmente circularían alrededor de las líneas del campo, pero dentro de las nanoburbujas tensas, los electrones circulan en el plano de la hoja de grafeno. Es como si se aplicara un fuerte campo magnético perpendicular a la hoja, incluso cuando no existe un campo magnético real. "Aparentemente, "Crommie dijo, "el campo pseudomagnético solo afecta a los electrones en movimiento y no a otras propiedades del electrón, como girar, que se ven afectados por campos magnéticos reales ".
