Un grupo de investigación internacional dirigido por científicos del Centro de Ciencia y Tecnología a Nanoescala del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) ha desarrollado un método para medir las vibraciones de los cristales en el grafeno. Comprender estas vibraciones es un paso fundamental para controlar las tecnologías futuras basadas en el grafeno, una forma de carbono de un átomo de espesor.

Informan sus hallazgos en el 19 de junio, 2015, cuestión de Cartas de revisión física .

Los átomos de carbono en las láminas de grafeno están dispuestos en una red similar a un panal que se repite regularmente:un cristal bidimensional. Como otros cristales, cuando se aplica suficiente calor u otra energía, las fuerzas que unen los átomos entre sí hacen que los átomos vibren y distribuyan la energía por todo el material, similar a cómo la vibración de la cuerda de un violín resuena en todo el cuerpo del violín cuando se toca.

Y al igual que cada violín tiene su propio carácter único, cada material vibra a frecuencias únicas. Las vibraciones colectivas, que tienen frecuencias en el rango de terahercios (mil millones de billones de oscilaciones por segundo), se llaman fonones.

Comprender cómo interactúan los fonones da pistas sobre cómo poner, sacar o mover energía dentro de un material. En particular, Encontrar formas efectivas de eliminar la energía térmica es vital para la miniaturización continua de la electrónica.

Una forma de medir estas pequeñas vibraciones es hacer rebotar electrones en el material y medir cuánta energía han transferido los electrones a los átomos que vibran. Pero es difícil. La técnica, llamada espectroscopia de túnel de electrones inelástica, provoca sólo un pequeño destello que puede ser difícil de distinguir entre disturbios más estridentes.

"Los investigadores se enfrentan con frecuencia a encontrar formas de medir señales cada vez más pequeñas, "dice el investigador del NIST, Fabian Natterer, "Para reprimir el caos y controlar las pequeñas señales, utilizamos las propiedades muy distintas de la propia señal ".

A diferencia de un violín que suena con el toque más ligero, según Natterer, los fonones tienen una energía umbral característica. Eso significa que no vibrarán a menos que obtengan la cantidad justa de energía, como el suministrado por los electrones en un microscopio de efecto túnel (STM).

Para filtrar la señal de los fonones de otras distracciones, Los investigadores del NIST utilizaron su STM para alterar sistemáticamente la cantidad de electrones que se mueven a través de su dispositivo de grafeno. A medida que se variaba el número de electrones, las señales no deseadas también variaban en energía, pero los fonones permanecieron fijos en su frecuencia característica. Promediar las señales sobre las diferentes concentraciones de electrones diluyó las molestas perturbaciones, pero reforzó las señales del fonón.

El equipo pudo mapear todos los fonones de grafeno de esta manera, y sus hallazgos coincidieron bien con las predicciones teóricas de sus colaboradores de Georgia Tech.

Según Joe Stroscio, miembro del NIST, aprender a captar la señal de los fonones les permitió observar un comportamiento peculiar y sorprendente.

"La intensidad de la señal del fonón se redujo drásticamente cuando cambiamos el portador de carga de grafeno de huecos a electrones, cargas positivas a negativas, "dice Stroscio." Una pista de lo que inicialmente mejora las señales de los fonones y luego hace que se caigan son los modos de galería de susurros, que se llenan de electrones e impiden que los fonones vibren cuando cambiamos de un agujero a un dopado de electrones ".

El equipo señala que este efecto es similar a los efectos inducidos por resonancia observados en moléculas pequeñas. Especulan que si el mismo efecto estuviera sucediendo aquí, podría significar que el sistema (grafeno y STM) está imitando una molécula gigante, pero dicen que todavía no tienen una base teórica firme para lo que está sucediendo.

El dispositivo de grafeno de alta pureza fue fabricado por el investigador del NIST Y. Zhao en el Nanofab del Centro de Ciencia y Tecnología a Nanoescala. una instalación de usuario nacional a disposición de los investigadores de la industria, academia y gobierno.