La forma en que los electrones fluyen en un material determina sus propiedades electrónicas. Por ejemplo, cuando se mantiene un voltaje a través de un material conductor, los electrones comienzan a fluir, generando una corriente eléctrica. A menudo se cree que estos electrones fluyen en trayectorias rectas, moviéndose a lo largo del campo eléctrico, como una pelota que rueda cuesta abajo. Sin embargo, estas no son las únicas trayectorias que pueden tomar los electrones:cuando se aplica un campo magnético, los electrones ya no viajan en caminos rectos a lo largo del campo eléctrico, sino que, de hecho, se doblan. Los flujos electrónicos doblados conducen a señales transversales llamadas respuestas "Hall".

Ahora bien, ¿es posible doblar electrones sin aplicar un campo magnético? En un estudio publicado recientemente en Science , un equipo internacional de investigadores informa que la luz polarizada circular puede inducir flujos electrónicos doblados en grafeno bicapa. El estudio ha sido realizado por un equipo que incluye a los científicos del ICFO Jianbo Yin (actualmente investigador del Beijing Graphene Institute, China), David Barcons, Iacopo Torre, dirigido por ICREA Prof. en ICFO Frank Koppens, en colaboración con Cheng Tan y James Hone de la Universidad de Columbia, Kenji Watanabe y Takashi Taniguchi de NIMS Japón y el profesor Justin Song de la Universidad Tecnológica de Nanyang (NTU) en Singapur.

Jianbo Yin, primer autor del estudio, recuerda cómo empezó todo. "Este estudio colaborativo comenzó en 2016 con una conversación entre Justin Song y Frank Koppens en una conferencia científica". Como explica Justin Song, "los electrones no son solo partículas, sino que pueden tener una naturaleza de onda cuántica". En los materiales cuánticos, como el grafeno bicapa, el patrón de onda de los electrones puede exhibir un devanado complejo que a menudo se denomina geometría cuántica. "Frank y yo hablamos sobre la posibilidad de aprovechar la geometría cuántica en grafeno bicapa para doblar el flujo de electrones con luz en lugar de usar campos magnéticos".

Con esto en mente, Jianbo Yin, investigador del equipo de Frank Koppens, decidió asumir el desafío de realizar experimentalmente este fenómeno inusual. "Nuestro dispositivo fue muy complicado de construir. Fue necesario construir muchos dispositivos y volar a la Universidad de Columbia para trabajar con Cheng Tan y James Hone para mejorar la calidad del dispositivo".

Geometría cuántica y selectividad de valle

En el grafeno bicapa, hay dos bolsas de valles de electrones (K y K'):cuando se aplica un campo eléctrico perpendicular, las propiedades geométricas cuánticas de los electrones en estos dos valles pueden hacer que se doblen en direcciones opuestas. Como resultado, sus efectos Hall se cancelan.

En su estudio, el equipo de científicos descubrió que al aplicar luz infrarroja polarizada circular en el dispositivo de grafeno bicapa, pudieron excitar selectivamente una población específica de electrones del valle en el material, lo que generó un fotovoltaje perpendicular al flujo de electrones habitual. Como destaca Koppens, "ahora diseñamos el dispositivo y la configuración de tal manera que la corriente solo fluye con iluminación ligera. Con esto, pudimos evitar el ruido de fondo que dificulta las mediciones y lograr una sensibilidad en la detección de varios órdenes de magnitud mejor". que cualquier otro material 2D". Este desarrollo es significativo porque los fotodetectores convencionales a menudo requieren grandes polarizaciones de voltaje que pueden generar "corrientes oscuras" que fluyen incluso cuando no hay luz.

Yin comenta que "podemos controlar la flexión de los electrones con el campo eléctrico fuera del plano que aplicamos. Podemos cambiar el ángulo de flexión de estos electrones, que puede cuantificarse mediante la conductividad Hall. Al controlar la perilla de voltaje, La curvatura de Berry [una característica de la geometría cuántica] se puede ajustar, lo que puede conducir a una conductividad Hall gigante".

Los resultados del estudio abren un nuevo campo de muchas aplicaciones de detección e imagen, como finalmente concluye Koppens. "Tal descubrimiento podría tener implicaciones importantes en las aplicaciones de detección de infrarrojos y terahercios, ya que el grafeno bicapa se puede transformar de semimetal a semiconductor con una banda prohibida muy pequeña, por lo que puede detectar fotones de energías muy pequeñas. También puede ser útil, por ejemplo, para imágenes en el espacio, imágenes médicas, por ejemplo, para el cáncer de piel de tejido, o incluso para aplicaciones de seguridad como la inspección de calidad de los materiales".

Las posibilidades son múltiples y los próximos pasos de investigación centrados en nuevos materiales 2D, como el grafeno bicapa retorcido de material muaré, pueden encontrar nuevas formas de controlar los flujos de electrones y las propiedades optoelectrónicas no convencionales. + Explora más

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