Un equipo de investigación dirigido por físicos de la Universidad de California, Riverside ha identificado una propiedad del "grafeno bicapa" (BLG) que, según los investigadores, es análoga a encontrar el bosón de Higgs en la física de partículas.

Grafeno el material elástico más fino de la naturaleza, es una hoja de átomos de carbono de un átomo de espesor dispuesta en una red hexagonal. Debido a la estructura plana y similar a una malla de gallinero del grafeno, las hojas se prestan bien para apilar.

BLG se forma cuando dos hojas de grafeno se apilan de una manera especial. Como el grafeno BLG tiene una alta capacidad de transporte de corriente, también conocido como alta conductividad electrónica. La alta capacidad de transporte de corriente se debe a las velocidades extremadamente altas que los electrones pueden adquirir en una hoja de grafeno.

Los físicos informan en línea el 22 de enero en Nanotecnología de la naturaleza que al investigar las propiedades de BLG encontraron que cuando el número de electrones en la hoja de BLG es cercano a 0, el material se vuelve aislante (es decir, resiste el flujo de corriente eléctrica), un hallazgo que tiene implicaciones para el uso del grafeno como material electrónico en las industrias de semiconductores y electrónica.

"BLG se vuelve aislante porque sus electrones se organizan espontáneamente cuando su número es pequeño, "dijo Chun Ning (Jeanie) Lau, profesor asociado de física y astronomía y autor principal del artículo de investigación. "En lugar de moverse al azar, los electrones se mueven de forma ordenada. Esto se llama 'ruptura espontánea de simetría' en física, y es un concepto muy importante ya que es el mismo principio que 'dota' de masa a las partículas en la física de altas energías ".

Lau explicó que un conductor típico tiene una gran cantidad de electrones, que se mueven al azar, más bien como una fiesta con diez mil invitados sin asientos asignados en las mesas de comedor. Si la fiesta solo tiene cuatro invitados, sin embargo, luego, los invitados tendrán que interactuar entre ellos y sentarse a una mesa. Similar, cuando BLG tiene solo unos pocos electrones, las interacciones hacen que los electrones se comporten de manera ordenada.

Nueva partícula cuántica

Allan MacDonald, la Cátedra Regents de la Fundación Sid W. Richardson en el Departamento de Física de la Universidad de Texas en Austin y coautora del artículo de investigación, señaló que el equipo ha medido la masa de un nuevo tipo de partícula cuántica masiva que solo se puede encontrar dentro de los cristales BLG.

"La física que da a estas partículas su masa es muy análoga a la física que hace que la masa de un protón dentro de un núcleo atómico sea mucho mayor que la masa de los quarks a partir de los cuales se forma, ", dijo." La partícula de nuestro equipo está hecha de electrones, sin embargo, no quarks ".

MacDonald explicó que el experimento que realizó el equipo de investigación fue motivado por un trabajo teórico que anticipó que nuevas partículas emergerían del mar de electrones de un cristal BLG.

"Ahora que se han encontrado las tan esperadas partículas, los experimentos futuros ayudarán a resolver un debate teórico en curso sobre sus propiedades, " él dijo.

Aplicaciones prácticas

Un hallazgo importante del equipo de investigación es que la "brecha de energía" intrínseca en BLG crece con el aumento del campo magnético.

En física del estado sólido, una brecha de energía (o banda prohibida) se refiere a un rango de energía en un sólido donde no pueden existir estados de electrones. Generalmente, el tamaño de la brecha de energía de un material determina si es un metal (sin brecha), semiconductor (espacio pequeño) o aislante (espacio grande). La presencia de una brecha de energía en el silicio es fundamental para la industria de los semiconductores ya que, para aplicaciones digitales, los ingenieros necesitan encender el dispositivo o ser conductivo, y 'apagado' o aislante.

El grafeno de capa única (SLG) no tiene huecos, sin embargo, y no se puede apagar por completo porque independientemente del número de electrones en SLG, siempre permanece metálico y conductor.

"Esto es terriblemente desventajoso desde el punto de vista de la electrónica, "dijo Lau, miembro del Centro de Ciencia e Ingeniería a Nanoescala de UC Riverside. "BLG, por otra parte, de hecho, se puede apagar. Nuestra investigación se encuentra en la fase inicial, y, ahora, la banda prohibida es todavía demasiado pequeña para aplicaciones prácticas. Sin embargo, lo que es tremendamente emocionante es que este trabajo sugiere una ruta prometedora:grafeno tricapa y grafeno tetracapa, que probablemente tengan brechas de energía mucho mayores que se pueden utilizar para tecnologías digitales e infrarrojas. Ya hemos comenzado a trabajar con estos materiales ".