(PhysOrg.com) - Al estudiar tres capas de grafeno, láminas de átomos de carbono en forma de panal, apiladas de una manera particular, Los científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de los Estados Unidos han descubierto un "pequeño universo" poblado por un nuevo tipo de "cuasipartículas":excitaciones de carga eléctrica en forma de partículas. A diferencia de las cuasipartículas similares a fotones sin masa en el grafeno de una sola capa, estas nuevas cuasipartículas tienen masa, que depende de su energía (o velocidad), y se volvería infinitamente masivo en reposo.

Esa acumulación de masa a bajas energías significa este sistema de grafeno de tres capas, si está magnetizado incorporándolo a una heteroestructura con material magnético, potencialmente podría generar una densidad mucho mayor de portadores de carga con polarización de espín que el grafeno de una sola capa, lo que lo hace muy atractivo para una nueva clase de dispositivos basados ​​en el control no solo de la carga eléctrica sino también del espín. comúnmente conocido como espintrónica.

"Nuestra investigación muestra que estas cuasipartículas muy inusuales, predicho por la teoría, existen en el grafeno de tres capas, y que gobiernan propiedades tales como cómo se comporta el material en un campo magnético, una propiedad que podría usarse para controlar dispositivos electrónicos basados ​​en grafeno, ”Dijo el físico de Brookhaven Igor Zaliznyak, quien dirigió el equipo de investigación. Su trabajo que mide las propiedades del grafeno de tres capas como un primer paso hacia la ingeniería de tales dispositivos se publicó en línea en Física de la naturaleza el 25 de septiembre 2011.

El grafeno ha sido objeto de una intensa investigación desde su descubrimiento en 2004, en particular debido al comportamiento inusual de sus electrones, que fluyen libremente a través del plano, láminas de una sola capa de la sustancia. Apilar capas cambia la forma en que fluyen los electrones:apilar dos capas, por ejemplo, proporciona una ruptura "sintonizable" en los niveles de energía que pueden ocupar los electrones, dando así a los científicos una forma de encender y apagar la corriente. Eso abre la posibilidad de incorporar la sustancia económica en nuevos tipos de electrónica.

Con tres capas, la situación se complica, los científicos han encontrado, pero también potencialmente más poderoso.

Una variable importante es la forma en que se apilan las capas:en los sistemas "ABA", los átomos de carbono que forman los anillos de panal están directamente alineados en las capas superior e inferior (A) mientras que los de la capa intermedia (B) están desplazados; en variantes "ABC", los panales en cada capa apilada están compensados, subiendo capa por capa como una escalera. Hasta aquí, El apilamiento ABC parece dar lugar a comportamientos más interesantes, como los que son el tema del estudio actual.

Para este estudio, los científicos crearon el grafeno de tres capas en el Centro de Nanomateriales Funcionales (CFN) en Brookhaven Lab, pelarlo de grafito, la forma de carbono que se encuentra en la mina de un lápiz. Utilizaron microscopía microRaman para mapear las muestras e identificar aquellas con tres capas apiladas en la disposición ABC. Luego utilizaron las herramientas de nanolitografía de CFN, incluido el fresado con haz de iones, para dar forma a las muestras de una manera particular para que puedan conectarse a electrodos para las mediciones.

En el Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético (NHMFL) en Tallahassee, Florida, Luego, los científicos estudiaron las propiedades electrónicas del material, específicamente el efecto de un campo magnético externo en el transporte de carga electrónica en función de la densidad del portador de carga. intensidad del campo magnético, y temperatura.

"En última instancia, el éxito de este proyecto se basó en el trabajo arduo y la excepcional destreza experimental de los jóvenes investigadores talentosos con los que participamos en estos estudios, en particular, Liyuan Zhang, quien en ese momento era investigador asociado en Brookhaven, y Yan Zhang, luego un estudiante graduado de la Universidad de Stony Brook, ”Dijo Igor Zaliznyak.

Las mediciones proporcionan la primera evidencia experimental de la existencia de un tipo particular de cuasipartícula, o excitación electrónica que actúa como una partícula y sirve como portador de carga en el sistema de grafeno de tres capas. Estas cuasipartículas particulares, que fueron predichos por estudios teóricos, tienen una masa mal definida, es decir, se comportan como si tuvieran un rango de masas, y esas masas divergen a medida que el nivel de energía disminuye y las cuasipartículas se vuelven infinitamente masivas.

Por lo general, estas partículas serían inestables y no podrían existir debido a las interacciones con pares virtuales de partículas y agujeros, similares a los pares virtuales de electrones y positrones con carga opuesta, que aniquilan cuando interactúan. Pero una propiedad de las cuasipartículas llamada quiralidad, que está relacionado con un sabor especial de giro en los sistemas de grafeno, evita que las cuasipartículas sean destruidas por estas interacciones. Así que estas exóticas partículas infinitivamente masivas pueden existir.

“Estos resultados proporcionan una validación experimental para la gran cantidad de trabajo teórico reciente sobre el grafeno, y descubrir nuevas e interesantes posibilidades para futuros estudios destinados a utilizar las propiedades exóticas de estas cuasipartículas, ”Dijo Zaliznyak.

Por ejemplo, La combinación de materiales magnéticos con grafeno de tres capas podría alinear los giros de las cuasipartículas portadoras de carga. “Creemos que tales heteroestructuras de imán de grafeno con portadores de carga de espín polarizado podrían conducir a avances reales en el campo de la espintrónica, ”Dijo Zaliznyak.