Investigadores de Columbia Engineering, expertos en la manipulación de la materia a nanoescala, han logrado un avance importante en la física y la ciencia de los materiales, reportado recientemente en Nanotecnología de la naturaleza . Trabajando con colegas de las universidades de Princeton y Purdue y del Istituto Italiano di Tecnologia, el equipo ha diseñado "grafeno artificial" recreando, por primera vez, la estructura electrónica del grafeno en un dispositivo semiconductor.

"Este hito define un nuevo estado de la técnica en la ciencia de la materia condensada y la nanofabricación, "dice Aron Pinczuk, profesor de física aplicada y física en Columbia Engineering y autor principal del estudio. "Si bien el grafeno artificial se ha demostrado en otros sistemas como el óptico, molecular, y celosías fotónicas, estas plataformas carecen de la versatilidad y el potencial que ofrecen las tecnologías de procesamiento de semiconductores. Los dispositivos semiconductores de grafeno artificial podrían ser plataformas para explorar nuevos tipos de interruptores electrónicos, transistores con propiedades superiores, e incluso quizás, nuevas formas de almacenar información basadas en estados exóticos de la mecánica cuántica ".

El descubrimiento del grafeno a principios de la década de 2000 generó una tremenda emoción en la comunidad de la física, no solo porque fue la primera realización en el mundo real de un verdadero material bidimensional, sino también porque la disposición atómica única de los átomos de carbono en el grafeno proporcionó una plataforma para probando nuevos fenómenos cuánticos que son difíciles de observar en sistemas de materiales convencionales. Con sus inusuales propiedades electrónicas —sus electrones pueden viajar grandes distancias antes de dispersarse— el grafeno es un excelente conductor. Estas propiedades también muestran otras características únicas que hacen que los electrones se comporten como si fueran partículas relativistas que se mueven cerca de la velocidad de la luz. confiriéndoles propiedades exóticas que "regulares, "Los electrones no relativistas no tienen.

Pero el grafeno una sustancia natural, viene en una sola disposición atómica:las posiciones de los átomos en la red de grafeno son fijas, y, por tanto, todos los experimentos con grafeno deben adaptarse a esas limitaciones. Por otra parte, en el grafeno artificial, la celosía se puede diseñar en una amplia gama de espacios y configuraciones, convirtiéndolo en una especie de santo grial para los investigadores de la materia condensada porque tendrá propiedades más versátiles que el material natural.

"Esta es un área de investigación en rápida expansión, y estamos descubriendo nuevos fenómenos a los que antes no se podía acceder, "dice Shalom Wind, miembro de la facultad del departamento de física aplicada y matemáticas aplicadas y coautor del estudio. "A medida que exploramos conceptos de dispositivos novedosos basados ​​en el control eléctrico del grafeno artificial, podemos desbloquear el potencial para expandir las fronteras en optoelectrónica avanzada y procesamiento de datos ".

"Este trabajo es realmente un avance importante en el grafeno artificial. Desde la primera predicción teórica de que un sistema con propiedades electrónicas similares al grafeno puede crearse y ajustarse artificialmente con gas de electrones 2D modelado, nadie lo había logrado, hasta que el Columbia funcione, en la observación directa de estas características en nanoestructuras semiconductoras diseñadas, "dice Steven G. Louie, profesor de física, Universidad de California, Berkeley. "Trabajo previo con moléculas, los átomos y las estructuras fotónicas representan sistemas mucho menos versátiles y estables. Las estructuras semiconductoras nanofabricadas abren enormes oportunidades para explorar nuevas y emocionantes aplicaciones científicas y prácticas ".

Los investigadores utilizaron las herramientas de la tecnología de chips convencional para desarrollar el grafeno artificial en un material semiconductor estándar. arseniuro de galio. Diseñaron una estructura en capas para que los electrones pudieran moverse solo dentro de una capa muy estrecha, creando efectivamente una hoja 2D. Utilizaron nanolitografía y grabado para modelar el arseniuro de galio:el patrón creó una red hexagonal de sitios en los que los electrones estaban confinados en la dirección lateral. Al colocar estos sitios, que podrían considerarse como "átomos artificiales, "suficientemente cerca uno del otro (~ 50 nanómetros de distancia), estos átomos artificiales podrían interactuar mecánicamente cuánticamente, similar a la forma en que los átomos comparten sus electrones en los sólidos.

El equipo probó los estados electrónicos de las celosías artificiales iluminando con luz láser y midiendo la luz que se dispersaba. La luz dispersa mostró una pérdida de energía que correspondía a las transiciones en la energía de los electrones de un estado a otro. Cuando mapearon estas transiciones, el equipo descubrió que se estaban acercando a cero de forma lineal alrededor de lo que se llama el "punto de Dirac", donde la densidad de electrones desaparece, un sello distintivo del grafeno.

Este grafeno artificial tiene varias ventajas sobre el grafeno natural:por ejemplo, los investigadores pueden diseñar variaciones en la red de panal para modular el comportamiento electrónico. Y debido a que el espacio entre los puntos cuánticos es mucho mayor que el espacio interatómico en el grafeno natural, los investigadores pueden observar fenómenos cuánticos aún más exóticos con la aplicación de un campo magnético.

El descubrimiento de nuevos materiales de baja dimensión, como el grafeno y otros ultrafinos, películas de van der Waals en capas que exhiben nuevos y emocionantes fenómenos físicos que antes eran inaccesibles, sentó las bases para este estudio. "Lo que fue realmente fundamental para nuestro trabajo fueron los impresionantes avances en nanofabricación, "Notas de Pinczuk." Estos nos ofrecen una caja de herramientas cada vez mayor para crear una miríada de patrones de alta calidad en dimensiones de nanoescala. Este es un momento emocionante para ser un físico que trabaja en nuestro campo ".