El grafeno no dopado no es un metal, semiconductor, o aislante pero un semimetal, cuyas propiedades inusuales incluyen interacciones electrón-electrón entre partículas ampliamente separadas en la red en forma de panal de grafeno, sugeridas aquí por la impresión de un artista de los diagramas de Feynman que se utilizan a menudo para realizar un seguimiento de tales interacciones. Las interacciones ocurren solo en distancias muy cortas en metales comunes. La interacción de largo alcance altera el carácter fundamental de los portadores de carga en el grafeno. Crédito:Imagen de Caitlin Youngquist, Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley
Grafeno una hoja de carbono de un solo átomo de espesor, fue objeto de especulación teórica mucho antes de que se hiciera realmente. La teoría predice propiedades extraordinarias del grafeno, pero probar las predicciones con resultados experimentales a menudo es un desafío.
Ahora, los investigadores que utilizan la fuente de luz avanzada (ALS) en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía de EE. UU. Han dado un paso importante para confirmar que el grafeno es tan inusual como se esperaba, quizás incluso más.
"El grafeno no es un semiconductor, no es un aislante, y no un metal, "dice David Siegel, el autor principal de un artículo en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias (PNAS) informando los resultados del equipo de investigación. "Es un tipo especial de semimetal, con propiedades electrónicas que son incluso más interesantes de lo que uno podría sospechar a primera vista ".
Siegel es estudiante de posgrado en la División de Ciencias de Materiales (MSD) del Laboratorio de Berkeley y miembro del grupo de Alessandra Lanzara en el Departamento de Física de la Universidad de California en Berkeley. Él y sus colegas utilizaron la línea de luz ALS 12.0.1 para sondear una muestra especialmente preparada de grafeno con ARPES (espectroscopia de fotoemisión resuelta en ángulo) para observar cómo el grafeno no dopado, el material intrínseco sin portadores de carga adicional, se comporta cerca del llamado "Punto Dirac."
Los conos de dirac de grafeno a menudo se dibujan con lados rectos (izquierda) que indican un aumento suave de energía, pero un espectro ARPES cerca del punto de Dirac del grafeno sin dopar (bosquejado en rojo a la derecha) exhibe una curvatura hacia adentro distinta, lo que indica interacciones electrónicas que ocurren en un rango cada vez más largo y que conducen a mayores velocidades de los electrones, una de las formas en que la electrónica del grafeno semimetálico difiere de la de un metal. Crédito:Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley
El punto de Dirac es una característica única de la estructura de la banda del grafeno. A diferencia de la estructura de bandas de los semiconductores, por ejemplo, el grafeno no tiene banda prohibida, no hay brecha de energía entre la banda de valencia llena de electrones y la banda de conducción desocupada. En el grafeno, estas bandas están representadas por dos conos ("conos de Dirac") cuyos puntos se tocan, cruzando linealmente en el punto de Dirac. Cuando la banda de valencia del grafeno está completamente llena y la banda de conducción está completamente vacía, el grafeno se puede considerar "sin dopar" o "carga neutral, "y es aquí donde se pueden observar algunas de las interesantes propiedades del grafeno.
Un experimento de ARPES mide con precisión un corte a través de los conos trazando directamente la energía cinética y el ángulo de los electrones que salen volando de la muestra de grafeno cuando son excitados por un haz de rayos X del ALS. Se desarrolla un espectro a medida que estos electrones emitidos golpean la pantalla del detector, construyendo gradualmente una imagen del cono.
La forma en que los electrones interactúan en el grafeno no dopado es marcadamente diferente de la de un metal:los lados del cono (o patas de la X, en un espectro ARPES) desarrollan una curvatura hacia adentro distinta, lo que indica que las interacciones electrónicas se están produciendo en un rango cada vez más largo (distancias de hasta 790 angstroms de separación) y conducen a mayores velocidades de los electrones. Estas son manifestaciones inusuales, nunca antes visto, de un fenómeno generalizado llamado "renormalización".
Experimento versus teoría
Para comprender la importancia de los hallazgos del equipo, ayuda comenzar con su configuración experimental. Idealmente, Las mediciones de grafeno no dopado se realizarían con una hoja suspendida de grafeno independiente. Pero muchos experimentos no se pueden realizar a menos que el objetivo descanse sobre un sustrato sólido, que puede influir en las propiedades electrónicas de la capa en la superficie e interferir con el experimento.
Así que Siegel y sus colegas decidieron investigar un tipo especial de grafeno "cuasi independiente", comenzando con un sustrato de carburo de silicio. Cuando se calienta, el silicio se expulsa del carburo de silicio y el carbono se acumula en la superficie como una capa relativamente gruesa de grafito (el tipo de carbono en la mina de un lápiz). Pero las capas adyacentes de grafeno en la muestra de grafito grueso se rotan entre sí, de modo que cada capa de la pila se comporte como una sola capa aislada.
"En la física del estado sólido, una de las preguntas más fundamentales que uno puede hacerse sobre un material es la naturaleza de sus portadores de carga, "Siegel dice." Para metales ordinarios, la respuesta puede ser descrita por la teoría más poderosa de los sólidos, conocida como la teoría de Fermi-líquido de Landau, "en honor al físico soviético Lev Landau y al físico italiano y naturalizado estadounidense Enrico Fermi.
Mientras que los electrones individuales llevan carga:la corriente eléctrica en un cable de cobre, por ejemplo, incluso en un metal, no pueden entenderse completamente como simples, partículas independientes. Debido a que interactúan constantemente con otras partículas, deben incluirse los efectos de las interacciones; los electrones y las interacciones juntos se pueden considerar como "cuasipartículas, "que se comportan de manera muy similar a los electrones libres pero con diferentes masas y velocidades. Estas diferencias se derivan a través del proceso matemático llamado renormalización.
El líquido Fermi de Landau se compone de cuasipartículas. Además de describir las características de los electrones más las interacciones, Los líquidos Fermi tienen otras propiedades características, y en la mayoría de los materiales, la teoría adopta generalmente la misma forma. Sostiene que los portadores de carga están "vestidos" por interacciones de muchos cuerpos, que también sirven para filtrar electrones y prevenir o reducir sus interacciones a mayor distancia.
"Dado que las propiedades de tantos materiales son prácticamente las mismas de forma generalizada, Los físicos siempre están interesados en encontrar sistemas que difieran de un líquido Fermi normal, "dice Siegel." Esto es lo que hace que nuestros resultados sean tan emocionantes. El grafeno sin dopar realmente difiere de lo que esperamos de un líquido Fermi normal, y nuestros resultados están de acuerdo con los cálculos teóricos ".
Quizás el ejemplo más vívido de la diferencia es la interacción de largo alcance entre los electrones en el grafeno semimetálico, interacciones que se proyectarían en un metal normal. Siegel admite que puede haber una controversia continua sobre cómo se debe esperar que se comporte exactamente el grafeno, "pero nuestro principal resultado es que hemos confirmado la presencia de estos no apantallados, interacciones de largo alcance, que cambian el comportamiento de las cuasipartículas en el grafeno de una manera fundamental ".
