La investigación realizada por científicos adjuntos al buque insignia de grafeno de la CE ha revelado una fase superfluida en materiales 2D de temperatura ultrabaja, creando el potencial para dispositivos electrónicos que disipan muy poca energía.

A escala atómica y molecular, el mundo puede ser un lugar muy extraño, con las nociones cotidianas de la temperatura, energía y coherencia física en desorden. Con la realidad en el nivel cuántico, debemos hablar de verosimilitud y probabilidad estadísticas en lugar de una simple causa y efecto de una bola de billar.

Tomemos el concepto de superfluidez, un estado ultrafrío en el que la materia actúa como un fluido con viscosidad cero. Puede pensar en la superfluidez como un análogo termodinámico generalizado de la superconductividad eléctrica más comúnmente entendida, mediante el cual los electrones se mueven a través de los materiales sin resistencia ni pérdida de energía.

La superfluidez se descubrió por primera vez en el helio líquido, a temperaturas de unos pocos grados por encima del cero absoluto, pero el fenómeno es evidente a escalas que van desde la atómica a la cósmica. Está relacionado con el estado de la materia conocido como condensado de Bose-Einstein, en el que una gran fracción de las partículas en la materia a granel ocupa el estado de energía cuántica más bajo. Las partículas, que a temperaturas más altas se mueven de forma aleatoria, moda fortuita, puede de esta manera comportarse como un todo coherente o al menos cuasi-coherente, trayendo así los efectos de la mecánica cuántica a la visibilidad macroscópica.

Física fascinante, aunque algo esotérica, puede ser, pero hay un lado práctico de la superfluidez y la condensación de Bose-Einstein. Por un lado, tiene implicaciones para el comportamiento de los dispositivos electrónicos, aunque especializadas que operan a temperaturas ultrabajas. Con este fin, un grupo de investigadores asociados con el buque insignia de grafeno de Europa ha investigado las propiedades de los electrones que se mueven en estructuras bidimensionales formadas a partir de grafeno y arseniuro de galio.

El grafeno es carbono cristalino dispuesto en transparente, capas de un solo átomo de espesor, con los átomos de carbono colocados en una red en forma de panal. El más conocido de los cientos de materiales bidimensionales descubiertos hasta la fecha, el grafeno tiene una serie de elementos eléctricos propiedades mecánicas y de otro tipo que le otorgan un enorme potencial para aplicaciones que van desde la electrónica hasta las estructuras superresistentes.

Centrándose en las mediciones del arrastre de Coulomb, el acoplamiento por fricción entre las corrientes eléctricas en conductores separados espacialmente, los investigadores del Graphene Flagship, dirigido por Marco Polini del Instituto de Nanociencia del Consejo Nacional de Investigación y la Scuola Normale Superiore en Pisa, Italia, Vittorio Pellegrini, en los Graphene Labs del Instituto Italiano de Tecnología en Génova, y Andrea Ferrari del Cambridge Graphene Centre, han descubierto que la resistividad de arrastre aumenta notablemente a temperaturas de menos de alrededor de 5 Kelvin (-268,15 Celsius). Este es un resultado inesperado, partiendo como lo hace de la dependencia de la temperatura habitual que se muestra en los líquidos de Fermi débilmente correlacionados:un modelo teórico que describe el comportamiento de la mayoría de los materiales conductores de electricidad a temperaturas ultrabajas.

En un artículo publicado recientemente en la revista Comunicaciones de la naturaleza , el primer autor del cual es Andrea Gamucci, los investigadores informan sobre una nueva clase de estructuras electrónicas compuestas en las que el grafeno de una o dos capas se coloca muy cerca de un pozo cuántico hecho de arseniuro de galio.

Un pozo cuántico formado a partir de un semiconductor con valores de energía discretos, limita el movimiento de las partículas cargadas a un plano bidimensional. La combinación de grafeno con un pozo cuántico da como resultado una heteroestructura formada a partir de dos materiales bidimensionales diferentes, y dicho ensamblaje compuesto puede usarse para investigar la interacción de electrones y huecos de electrones. Se forma un agujero cuando un electrón se excita a un estado de mayor energía, dejando a su paso una cuasi-partícula que se comporta como si fuera un electrón 'faltante', o un electrón con carga positiva en lugar de negativa. Tenga en cuenta que los huecos de electrones no son lo mismo que las antipartículas físicamente reales conocidas como positrones.

En el caso de las heteroestructuras de grafeno-GaAs reportadas en el Comunicaciones de la naturaleza papel, las mediciones de resistencia de Coulomb son consistentes con fuertes interacciones entre las capas de material, con la fuerza electrostática atractiva entre los electrones y los agujeros en los dispositivos de estado sólido que se prevé que resulten en superfluidez y condensación de Bose-Einstein. En otras palabras, la fuerte interacción entre las capas de material conduce a efectos cuánticos que se manifiestan en grandes conjuntos de electrones y huecos confinados dentro de dispositivos de tamaño micrométrico.

"Demostramos que tales efectos pueden ocurrir cuando los electrones están confinados en un pozo delgado hecho de arseniuro de galio, con agujeros confinados en grafeno monocapa o bicapa, ", dice Polini." Los electrones y los agujeros separados por unas pocas decenas de nanómetros se atraen entre sí a través de una de las fuerzas más fuertes que se exhiben en la naturaleza:la fuerza eléctrica. A temperaturas suficientemente bajas, Nuestros experimentos revelan la posible aparición de una fase superfluida, en el que corrientes opuestas fluyen en los dos sistemas bidimensionales separados ". Pellegrini continúa:" Tales corrientes fluyen con una disipación mínima, y puede hacer posible una serie de dispositivos electrónicos coherentes que disipan poca energía ". Ferrari agrega:" Este es otro ejemplo de resultados de vanguardia que permite el ensamblaje determinista de grafeno y otras estructuras bidimensionales, que es precisamente el objetivo general del Graphene Flagship ".

La superfluidez y la condensación de Bose-Einstein son fenómenos de temperatura ultrabaja, por lo que los efectos descritos aquí en heteroestructuras de grafeno-arseniuro de galio no se aplicarán a los dispositivos electrónicos cotidianos. Todavía, hay muchas aplicaciones que requieren el uso de componentes electrónicos refrigerados criogénicamente, y estos podrían aprovechar el arrastre anómalo de Coulomb a baja temperatura en materiales bidimensionales a granel.

Ejemplos de tales aplicaciones incluyen computación cuántica y de alto rendimiento, espectroscopia, detección magnética e infrarroja, y conversión de analógico a digital. El descubrimiento de los investigadores de Graphene Flagship que se describen aquí podría beneficiar a estas áreas tecnológicas y más.