Los seres humanos han aprovechado grandes porciones del espectro electromagnético para diversas tecnologías, de rayos X a radios, pero una parte de ese espectro ha permanecido fuera de su alcance. Esto se conoce como brecha de terahercios, situado entre las ondas de radio y la radiación infrarroja, dos partes del espectro que utilizamos en las tecnologías cotidianas, incluidos los teléfonos móviles, Mandos a distancia de TV y tostadoras.

Una teoría desarrollada por el fallecido profesor de Stanford y premio Nobel Felix Bloch sugirió que un material especialmente estructurado que permitiera a los electrones oscilar de una manera particular podría ser capaz de conducir estas buscadas señales de terahercios.

Ahora, décadas después de la teoría de Bloch, Los físicos de Stanford pueden haber desarrollado materiales que permiten estas oscilaciones teorizadas, algún día permitiendo mejoras en las tecnologías, desde las células solares hasta los escáneres de los aeropuertos. El grupo publicó sus hallazgos en la edición del 29 de septiembre de Ciencias .

Innovaciones en materiales de superrejilla

Los investigadores han pensado durante mucho tiempo que los materiales con patrones espaciales repetidos en la nanoescala podrían permitir las oscilaciones de Bloch, pero la tecnología apenas se está poniendo al día con la teoría. Tal material requiere que los electrones viajen largas distancias sin desviarse, donde incluso la imperfección más pequeña en el medio a través del cual fluyen los electrones puede desviarlos de su camino original, como un arroyo que trata de serpentear sobre rocas y árboles caídos.

La creciente investigación en el campo de los materiales bidimensionales y superredes podría hacer realidad este tipo de material. Las superredes son semiconductores formados por capas de materiales ultrafinos cuyos átomos están dispuestos en un patrón de celosía periódica.

Para este estudio, Los investigadores crearon una superrejilla bidimensional intercalando una hoja de grafeno atómicamente delgada entre dos hojas de nitruro de boro eléctricamente aislante. Los átomos en el grafeno y el nitruro de boro tienen un espaciado ligeramente diferente, de modo que cuando se apilan uno encima del otro, crean un patrón de interferencia de onda especial llamado patrón muaré.

Nuevos usos de los electrones

Protegido del aire y contaminantes por nitruro de boro arriba y abajo, los electrones en el grafeno fluyen a lo largo de caminos suaves sin desviarse, exactamente como sugiere la teoría sería necesario para conducir señales de terahercios. Los investigadores pudieron enviar electrones a través de la hoja de grafeno, recójalos en el otro lado y utilícelos para inferir así la actividad de los electrones a lo largo del camino.

Generalmente, cuando se aplica un voltaje a través de un cristal, los electrones se aceleran continuamente en la dirección del campo eléctrico hasta que se desvían. En esta superrejilla muaré, Los investigadores demostraron que los electrones pueden limitarse a bandas de energía más estrechas, dijo el profesor de física David Goldhaber-Gordon, coautor del estudio. Combinado con tiempos muy largos entre deflexiones, esto debería hacer que los electrones oscilen en su lugar y emitan radiación en el rango de frecuencia de terahercios. Este es un éxito fundamental en el camino hacia la creación de emisión controlada y detección de frecuencias de terahercios.

Además de acercar la teoría de Bloch a la realidad, los investigadores encontraron un cambio completamente sorprendente en la estructura electrónica de su material de superrejilla.

"En semiconductores, como el silicio, podemos ajustar cuántos electrones están empaquetados en este material, "dijo Goldhaber-Gordon." Si ponemos más, se comportan como si tuvieran carga negativa. Si sacamos algunos la corriente que se mueve a través del sistema se comporta como si en cambio estuviera compuesta de cargas positivas, aunque sabemos que son todos electrones ".

Pero esta superrejilla trae un nuevo giro:agregar aún más electrones produce partículas de carga positiva, y sacando aún más retornos a carga negativa.

Las aplicaciones futuras de esta inversión en el carácter de los electrones podrían venir en forma de uniones p-n más eficientes, que son bloques de construcción cruciales para la mayoría de los dispositivos electrónicos semiconductores, como las células solares, LED y transistores. Normalmente, si uno ilumina una unión p-n, enviar un electrón por cada fotón absorbido se considera un rendimiento excelente. Pero estas nuevas uniones podrían emitir varios electrones por fotón, cosechando la energía de la luz de manera más efectiva.

Terahercios y Stanford, Pasado y futuro

Si bien esta nueva investigación aún no ha creado un oscilador Bloch, los científicos han logrado el primer paso al demostrar que el impulso y la velocidad de un electrón se pueden conservar durante largos tiempos y distancias dentro de esta superrejilla, dijo Menyoung Lee, coautor del estudio que realizó la investigación como estudiante de posgrado en el Grupo Goldhaber-Gordon.

"Aplicamos las primeras lecciones originales de física del estado sólido que Felix Bloch descubrió hace mucho tiempo, y resulta que podemos usar eso para impulsar fenómenos de conducción únicos en materiales de ingeniería novedosos, "Dijo Lee.

La tecnología de frecuencia de terahercios podría eventualmente ser una mejora en las tecnologías actuales. Cuando los aeropuertos de EE. UU. Escanean a los pasajeros en los puntos de control de seguridad hoy, usan microondas, que penetran materiales no metálicos para revelar objetos metálicos ocultos. Goldhaber-Gordon explicó que el terahercio tiene propiedades de transmisión similares pero una longitud de onda más corta, potencialmente revelando incluso objetos ocultos no metálicos en alta resolución. Agregó que los escáneres de terahercios también podrían usarse para detectar defectos como cavidades ocultas en objetos en una línea de ensamblaje de fabricación.

La conducción electrónica limpia demostrada en este trabajo también mejoró la comprensión de las formas en que los electrones interactúan y fluyen. y Goldhaber-Gordon dijo que su laboratorio planea utilizar estos conocimientos para trabajar en la creación de haces de electrones extremadamente estrechos para enviar a través de superredes. Llamó a este nuevo campo "óptica electrónica en materiales 2-D" porque estos rayos viajan en línea recta y obedecen las leyes de refracción de manera similar a los rayos de luz.

"Esta será un área que abrirá muchas posibilidades nuevas, "dijo Goldhaber-Gordon, "y estamos apenas comenzando a explorar lo que podemos hacer".