Un equipo de investigadores de las Universidades de Manchester, Nottingham y Loughborough han descubierto un fenómeno cuántico que ayuda a comprender los límites fundamentales de la electrónica del grafeno.

Publicado en Comunicaciones de la naturaleza , el trabajo describe cómo los electrones en una sola hoja de grafeno atómicamente delgada se dispersan de los átomos de carbono vibrantes que forman la red cristalina hexagonal.

Aplicando un campo magnético perpendicular al plano del grafeno, los electrones portadores de corriente se ven obligados a moverse en órbitas circulares cerradas de "ciclotrón". En grafeno puro, la única forma en que un electrón puede escapar de esta órbita es rebotando en un "fonón" en un evento de dispersión. Estos fonones son haces de energía e impulso en forma de partículas y son los "cuantos" de las ondas sonoras asociadas con el átomo de carbono en vibración. Los fonones se generan en cantidades cada vez mayores cuando el cristal de grafeno se calienta a temperaturas muy bajas.

Al pasar una pequeña corriente eléctrica a través de la hoja de grafeno, el equipo pudo medir con precisión la cantidad de energía y momento que se transfiere entre un electrón y un fonón durante un evento de dispersión.

Su experimento reveló que dos tipos de fonones dispersan los electrones:fonones acústicos transversales (TA) en los que los átomos de carbono vibran perpendicularmente a la dirección de propagación del fonón y al movimiento de las ondas (algo análogo a las ondas superficiales en el agua) y fonones acústicos longitudinales (LA). en el que los átomos de carbono vibran hacia adelante y hacia atrás a lo largo de la dirección del fonón y el movimiento ondulatorio; (este movimiento es algo análogo al movimiento de las ondas sonoras a través del aire).

Las mediciones proporcionan una medida muy precisa de la velocidad de ambos tipos de fonones, una medida que de otro modo es difícil de realizar para el caso de una sola capa atómica. Un resultado importante de los experimentos es el descubrimiento de que la dispersión de fonones TA domina sobre la dispersión de fonones LA.

El fenómeno observado, comúnmente conocida como oscilación de magnetophonon, se midió en muchos semiconductores años antes del descubrimiento del grafeno. Es uno de los fenómenos de transporte cuántico más antiguos que se conoce desde hace más de 50 años, anterior al efecto Hall cuántico. Mientras que el grafeno posee una serie de novedades, propiedades electrónicas exóticas, este fenómeno bastante fundamental ha permanecido oculto.

Laurence Eaves y Roshan Krishna Kumar, los coautores del trabajo dijeron:"Nos sorprendió gratamente encontrar oscilaciones de magnetophonon tan prominentes que aparecían en el grafeno. También nos sorprendió por qué la gente no los había visto antes, considerando la extensa cantidad de literatura sobre transporte cuántico en grafeno ".

Su apariencia requiere dos ingredientes clave. Primero, el equipo tuvo que fabricar transistores de grafeno de alta calidad con grandes áreas en el Instituto Nacional de Grafeno. Si las dimensiones del dispositivo son inferiores a unos pocos micrómetros, el fenómeno no podría observarse.

Piranavan Kumaravadivel de la Universidad de Manchester, El autor principal del artículo dijo:"Al comienzo de los experimentos de transporte cuántico, la gente solía estudiar macroscópico, cristales de tamaño milimétrico. En la mayor parte del trabajo sobre transporte cuántico en grafeno, los dispositivos estudiados suelen tener un tamaño de solo unos pocos micrómetros. Parece que fabricar dispositivos de grafeno más grandes no solo es importante para las aplicaciones, sino también para los estudios fundamentales ".

El segundo ingrediente es la temperatura. La mayoría de los experimentos de transporte cuántico de grafeno se realizan a temperaturas ultra frías para ralentizar la vibración de los átomos de carbono y "congelar" los fonones que suelen romper la coherencia cuántica. Por lo tanto, el grafeno se calienta ya que los fonones deben estar activos para producir el efecto.

Mark Greenaway, de la Universidad de Loughborough, que trabajó en la teoría cuántica de este efecto, dijo, "Este resultado es extremadamente emocionante:abre una nueva ruta para probar las propiedades de los fonones en cristales bidimensionales y sus heteroestructuras. Esto nos permitirá comprender mejor las interacciones electrón-fonón en estos materiales prometedores". comprender cuál es vital para desarrollarlos para su uso en nuevos dispositivos y aplicaciones ".