Los científicos del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) han estudiado la dinámica de los electrones del grafeno "material maravilloso" en un campo magnético por primera vez. Esto llevó al descubrimiento de un fenómeno aparentemente paradójico en el material. Su comprensión podría hacer posible un nuevo tipo de láser en el futuro. Junto con investigadores de Berlín, Francia, la República Checa y los Estados Unidos, los científicos describieron con precisión sus observaciones en un modelo y ahora han publicado sus hallazgos en la revista científica Física de la naturaleza .

El grafeno se considera un "material maravilloso":su resistencia a la rotura es mayor que la del acero y conduce la electricidad y el calor con mayor eficacia que el cobre. Como una estructura bidimensional que consta de una sola capa de átomos de carbono, también es flexible, casi transparente y aproximadamente un millón de veces más delgado que una hoja de papel. Es más, poco después de su descubrimiento hace diez años, Los científicos reconocieron que los estados de energía del grafeno en un campo magnético, conocidos como niveles de Landau, se comportan de manera diferente a los de los semiconductores. "Se han descubierto muchos efectos fascinantes con el grafeno en campos magnéticos, pero la dinámica de los electrones nunca se ha estudiado en un sistema de este tipo hasta ahora, "explica el físico Dr. Stephan Winnerl de HZDR.

Los investigadores del HZDR expusieron el grafeno a un campo magnético de cuatro Tesla, cuarenta veces más fuerte que un imán de herradura. Como resultado, los electrones en el grafeno ocupan solo ciertos estados de energía. Las partículas cargadas negativamente fueron virtualmente forzadas a seguir las pistas. Estos niveles de energía se examinaron luego con pulsos de luz láser de electrones libres en el HZDR. "El pulso láser excita los electrones a un cierto nivel de Landau. Un pulso retardado temporalmente investiga cómo evoluciona el sistema, "explica Martin Mittendorff, Candidato a doctorado en el HZDR y primer autor del artículo.

La redistribución de electrones sorprende a los científicos

El resultado de los experimentos ha asombrado a los investigadores. Este nivel de energía en particular, en el que se bombearon nuevos electrones usando el láser, gradualmente vaciado. Winnerl ilustra este efecto paradójico con un ejemplo cotidiano:"Imagínese a una bibliotecaria clasificando libros en una estantería con tres estantes. Coloca un libro a la vez del estante inferior en el estante del medio. Su hijo está 'ayudando' al mismo tiempo tomando dos libros desde el estante del medio, colocando uno de ellos en el estante superior, el otro en la parte inferior. El hijo está muy ansioso y ahora el número de libros en el estante del medio disminuye aunque este es precisamente el estante que su madre desea llenar ".

Debido a que antes no había experimentos ni teorías con respecto a tales dinámicas, los físicos de Dresde inicialmente tuvieron dificultades para interpretar correctamente las señales. Después de varios intentos, sin embargo, encontraron una explicación:las colisiones entre electrones causan este reordenamiento inusual. "Este efecto se conoce desde hace mucho tiempo como dispersión Auger, pero nadie esperaba que fuera tan fuerte y que se agotara un nivel de energía, "explica Winnerl.

Este nuevo descubrimiento podría utilizarse en el futuro para desarrollar un láser que pueda producir luz con longitudes de onda arbitrariamente ajustables en los rangos de infrarrojos y terahercios. "Un láser de nivel Landau de este tipo se consideró durante mucho tiempo imposible, pero ahora con el grafeno, el sueño de los físicos de semiconductores podría convertirse en realidad, "dice Winnerl con entusiasmo.

Investigadores de Berlín calculan un modelo complejo para los experimentos de Dresde

Después de que el modelo fundamental utilizado en los experimentos funcionó satisfactoriamente, el trabajo teórico preciso seguido, que se llevó a cabo en la Universidad Técnica de Berlín. Los científicos de Berlín Ermin Malic y Andreas Knorr confirmaron:usando cálculos complejos, los supuestos del grupo de Dresde y proporcionó información detallada sobre los mecanismos subyacentes. Los investigadores del HZDR cooperaron además con el Laboratorio francés de campos magnéticos altos en Grenoble (Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses - LNCMI), la Universidad Charles de Praga y el Instituto de Tecnología de Georgia en Atlanta (EE. UU.).