Un nuevo estudio predice que los investigadores podrían usar pulsos en espiral de luz láser para cambiar la naturaleza del grafeno. convirtiéndolo de un metal en un aislante y dándole otras propiedades peculiares que podrían usarse para codificar información.

Los resultados, publicado el 11 de mayo en Comunicaciones de la naturaleza , allanar el camino para experimentos que creen y controlen nuevos estados de la materia con esta forma especializada de luz, con aplicaciones potenciales en informática y otras áreas.

"Es como si tomáramos un trozo de arcilla y lo convirtiéramos en oro, y cuando el pulso del láser desaparece, el oro vuelve a ser arcilla, "dijo Thomas Devereaux, profesor del Laboratorio Nacional Acelerador SLAC del Departamento de Energía y director del Instituto Stanford de Ciencias de Materiales y Energía (SIMES), un instituto conjunto SLAC / Stanford.

"Pero en este caso, " él dijo, "Nuestras simulaciones muestran que teóricamente podríamos cambiar las propiedades electrónicas del grafeno, volteándolo hacia adelante y hacia atrás desde un estado metálico, donde los electrones fluyen libremente, a un estado aislante. En términos digitales, esto es como cambiar entre cero y uno, encendido y apagado, si y no; se puede utilizar para codificar información en la memoria de una computadora, por ejemplo. Lo que hace que esto sea genial e interesante es que podrías hacer interruptores electrónicos con luz en lugar de electrones ".

Devereaux dirigió el estudio con Michael Sentef, quien comenzó el trabajo como investigador postdoctoral en SLAC y ahora se encuentra en el Instituto Max Planck para la Estructura y Dinámica de la Materia en Alemania.

Ajustando un material maravilloso

El grafeno es una forma pura de carbono con un solo átomo de espesor, con sus átomos dispuestos en un patrón de panal. Celebrado como un material maravilloso desde su descubrimiento hace 12 años, es flexible casi transparente, un excelente conductor de calor y electricidad y uno de los materiales más resistentes que se conocen. Pero a pesar de muchos intentos, los científicos no han encontrado la manera de convertirlo en un semiconductor, el material en el corazón de la microelectrónica.

Un estudio anterior demostró que podría ser posible dar un paso en esa dirección al golpear un material con luz polarizada circularmente:luz que gira en espiral en sentido horario o antihorario mientras viaja, una cualidad que también se puede describir como diestra o zurda. Esto crearía una "banda prohibida, "una gama de energías que los electrones no pueden ocupar, que es uno de los sellos distintivos de un semiconductor.

En el estudio SIMES, Los teóricos utilizaron el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética del DOE en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley para realizar simulaciones a gran escala de un experimento en el que el grafeno es golpeado con pulsos polarizados circularmente de unas millonésimas de mil millonésimas de segundo de duración.

Acercándose lo más posible a la realidad

"Los estudios anteriores se basaron en cálculos analíticos y en situaciones idealizadas, "dijo Martin Claassen, un estudiante graduado de Stanford en el grupo de Devereaux que hizo contribuciones clave al estudio. "Este intentó simular lo que sucede en condiciones experimentales tan cercanas como sea posible, hasta la forma de los pulsos láser. Hacer una simulación de este tipo puede decirle qué tipos de experimentos son factibles e identificar las regiones donde podría encontrar los cambios más interesantes en esos experimentos ".

Las simulaciones muestran que la mano de la luz láser interactuaría con una ligera mano en el grafeno, que no es del todo uniforme. Esta interacción conduce a propiedades interesantes e inesperadas, dijo el científico del personal de SLAC y coautor del estudio Brian Moritz. No solo produce una banda prohibida, pero también induce un estado cuántico en el que el grafeno tiene un llamado "número de Chern" de uno o cero, que resulta de un fenómeno conocido como curvatura de Berry y ofrece otro estado de encendido / apagado que los científicos podrían aprovechar.

Los conocimientos van más allá del grafeno

Si bien este estudio no abre de inmediato formas de fabricar dispositivos electrónicos, da a los investigadores conocimientos fundamentales que hacen avanzar la ciencia en esa dirección. Los resultados también son relevantes para materiales llamados dicalcogenuros (pronunciados dye-cal-CAW-gin-eyeds), que también son láminas bidimensionales de átomos dispuestas en una estructura de panal.

Los dichalcogenuros son el foco de una intensa investigación en SIMES y en todo el mundo debido a su potencial para crear dispositivos "valleytronic". En Valleytronics, los electrones se mueven a través de un semiconductor bidimensional como una onda con dos valles de energía cuyas características se pueden utilizar para codificar información. Las posibles aplicaciones incluyen detectores de luz, chips de almacenamiento de datos y lógica informática de bajo consumo y computación cuántica. Además del trabajo sobre grafeno, Los miembros del equipo de investigación también han estado simulando experimentos que involucran la interacción de la luz con dicalcogenuros.

"Por último, "Moritz dijo, "Estamos tratando de entender cómo la interacción con la luz puede alterar el carácter y las propiedades de un material para crear algo nuevo e interesante desde un punto de vista tecnológico".