Se necesitan nuevos materiales para reducir aún más el tamaño de los componentes electrónicos y, por lo tanto, hacer que dispositivos como computadoras portátiles y teléfonos inteligentes sean más rápidos y eficientes. Diminutas nanoestructuras del nuevo material grafeno son prometedoras a este respecto. El grafeno consta de una sola capa de átomos de carbono y, entre otras cosas, tiene una conductividad eléctrica muy alta. Sin embargo, el confinamiento espacial extremo en tales nanoestructuras influye fuertemente en sus propiedades electrónicas. Un equipo dirigido por el profesor Michael Bonitz del Instituto de Física Teórica y Astrofísica (ITAP) de la Universidad de Kiel ha logrado simular el comportamiento detallado de los electrones en estas nanoestructuras especiales utilizando un elaborado modelo computacional. Este conocimiento es crucial para el uso potencial de nanoestructuras de grafeno en dispositivos electrónicos.

Simulación precisa de las propiedades de los electrones en nanoestructuras

El año pasado, dos equipos de investigación lograron independientemente el uno del otro en la fabricación de estrechos, nanocintas de grafeno atómicamente precisas y midiendo sus energías electrónicas. El ancho de las nanocintas varía de forma controlada con precisión. Cada sección de las nanocintas tiene sus propios estados de energía con su propia estructura electrónica. "Sin embargo, los resultados de la medición no pudieron ser reproducidos completamente por modelos teóricos anteriores, "dice Bonitz, quien dirige la Cátedra de Física Estadística del ITAP. Junto con su Ph.D. el estudiante Jan-Philip Joost y su colega danés, el profesor Antti-Pekka Jauho de la Universidad Técnica de Dinamarca (DTU), desarrollaron un modelo mejorado que condujo a una excelente concordancia con los experimentos. Los físicos presentan sus resultados teóricos en el número actual de la reconocida revista Nano letras .

La base para las nuevas y más precisas simulaciones por computadora fue la suposición de que las desviaciones entre el experimento y los modelos anteriores fueron causadas por los detalles de la repulsión mutua de los electrones. Aunque esta interacción de Coulomb también existe en metales, y de hecho fue incluido en simulaciones anteriores de una manera aproximada, el efecto es mucho mayor en las pequeñas nanocintas de grafeno, y requiere un análisis detallado. Los electrones son expulsados ​​de sus estados de energía originales y tienen que 'buscar' otros lugares, como explica Bonitz:"Pudimos demostrar que los efectos de correlación debidos a la interacción de Coulomb de los electrones tienen una influencia dramática en el espectro de energía local".

La forma de las nanocintas determina sus propiedades electrónicas.

Cómo los valores de energía permisibles de los electrones dependen de la longitud, ancho, y la forma de las nanoestructuras ha sido aclarada por el equipo al investigar muchas de esas nanocintas. "El espectro de energía también cambia cuando la geometría de las nanocintas, su ancho, y forma, es modificado, "añade Joost". Por primera vez, Nuestros nuevos datos permiten realizar predicciones precisas sobre cómo se puede controlar el espectro de energía variando específicamente la forma de las nanocintas. "dice Jauho de la DTU en Copenhague. Los investigadores esperan que estas predicciones ahora también se prueben experimentalmente y conduzcan al desarrollo de nuevas nanoestructuras. Estos sistemas pueden hacer contribuciones importantes a la miniaturización adicional de la electrónica.