(Phys.org) —Un equipo de investigación de la Universidad de Kansas ha utilizado láseres de alta potencia para rastrear la velocidad y el movimiento de los electrones dentro de un material innovador que tiene solo un átomo de espesor. Sus hallazgos se publican en la edición actual de ACS Nano , una revista revisada por pares centrada en la nanociencia.

El trabajo en el Laboratorio de láser ultrarrápido de KU podría ayudar a señalar el camino hacia los transistores y paneles solares de próxima generación hechos de sólidos, materiales atómicamente delgados.

"Cuando el sólido es una capa delgada, los electrones están confinados en esta capa delgada, "dijo Hui Zhao, profesor asociado de física y astronomía, quien lidera el equipo. "Un electrón que puede moverse libremente en dos dimensiones se comporta de manera muy diferente a los que se mueven en las tres dimensiones. Cambia totalmente la forma en que los electrones interactúan con el medio ambiente. En las condiciones adecuadas, los electrones que se mueven en dos dimensiones tienen menos probabilidades de chocar con otras cosas en el sólido, y, por tanto, su movimiento se ve menos interrumpido. Un movimiento de electrones más rápido a menudo conduce a un mejor rendimiento de los dispositivos ".

Para monitorear los electrones, Zhao y los estudiantes graduados Qiannan Cui, Frank Ceballos y Nardeep Kumar crearon una capa de un solo átomo de disulfuro de tungsteno, un material utilizado en células solares y como lubricante.

Los investigadores de KU produjeron la capa atómica única empleando el "método de la cinta adhesiva" utilizado por primera vez por los científicos que trabajaban en la Universidad de Manchester para crear "grafeno, "un material que le valió a sus creadores el Premio Nobel de Física en 2010.

"El diselenuro de tungsteno es uno de los pocos materiales atómicamente delgados que se sabe que son estables en condiciones ambientales, "Dijo Zhao." No tenemos muchas opciones. La mayoría de los materiales no pueden permanecer en un formato de capa atómica única. Se romperán o se convertirán a otras formas ".

Una vez que el equipo creó una escama de diselenuro de tungsteno de un solo átomo de espesor, dispusieron unos 100 espejos, lentes y cristales en una mesa sin vibraciones para crear un microscopio de absorción transitoria. Próximo, enfocaron un pulso láser ultracorto, con una duración de sólo una décima parte de una milmillonésima de segundo, en la muestra. Cientos de electrones en un área de un micrómetro cuadrado del material absorbieron la energía del láser y se volvieron lo suficientemente energéticos como para moverse libremente en la muestra.

"Su movimiento es similar al de esos niños enérgicos, excepto que se mueven mucho más rápido y chocan con mucha más frecuencia, "dijo Zhao.

La capacidad del equipo para rastrear el movimiento de los electrones y determinar su velocidad es el avance más importante de la investigación.

"Para seguir el movimiento de estos electrones energéticos, Usamos otro pulso láser para rastrear la ubicación de estos electrones cada mil millonésima de segundo hasta que perdieron su energía y se establecieron. "Dijo Zhao." La medición se repitió 80 millones de veces por segundo automáticamente para promediar el ruido. Descubrimos que los electrones chocan con otras partículas aproximadamente 4 mil millones de veces por segundo, de media."

La velocidad de los electrones en un material es una de las propiedades electrónicas más importantes, según el investigador.

"Se traduce para una operación más rápida en dispositivos lógicos y computadoras, mayor eficiencia en células solares y mejor sensibilidad en sensores, ", dijo Zhao." Ser capaz de medir esta calidad es el primer paso para comprender los factores limitantes y cómo mejorarlos. Otros investigadores deducen el movimiento de los electrones midiendo la corriente frente al voltaje. Es menos directo y requiere conectar el semiconductor a los electrodos. Esto puede resultar muy difícil para muestras pequeñas y delgadas. Nuestro enfoque es directo y no invasivo ".

No contento con simplemente monitorear la actividad de los electrones, Zhao y su equipo esperan aumentar el rendimiento de los electrones para lograr una mayor eficiencia, dispositivos electrónicos más potentes que los de la generación actual que utilizan silicona como material del transistor.

"Nuestro próximo objetivo a lo largo de esta línea es encontrar formas de aumentar la velocidad de los electrones, por ejemplo, poner las capas individuales sobre un sustrato más adecuado o modificar el material, ", dijo." Otra dirección es utilizar este material, junto con otros, para formar nuevo, Cristales tridimensionales artificiales. Es posible que tales cristales se desarrollen en los próximos años, porque muchos grupos están trabajando en ello. Es difícil predecir cuándo se puede comercializar. Esta es solo una posible solución para reemplazar el silicio en la industria electrónica. El objetivo actual es aprender a mejorar la calidad de los materiales, reducir el costo y tratar de comprender sus ventajas e inconvenientes ".