Cuando un conductor eléctrico ordinario, como un cable metálico, se conecta a una batería, los electrones del conductor son acelerados por el campo eléctrico creado por la batería. Mientras se mueven, los electrones frecuentemente chocan con átomos de impurezas o espacios vacíos en la red cristalina del cable y convierten parte de su energía de movimiento en vibraciones de la red. La energía perdida en este proceso se convierte en calor que se puede sentir, por ejemplo, al tocar una bombilla incandescente.
Si bien las colisiones con impurezas de la red ocurren con frecuencia, las colisiones entre electrones son mucho más raras. Sin embargo, la situación cambia cuando se utiliza grafeno, una sola capa de átomos de carbono dispuestos en una red de panal, en lugar de un alambre común de hierro o cobre.
En el grafeno, las colisiones de impurezas son raras y las colisiones entre electrones desempeñan el papel principal. En este caso, los electrones se comportan más como un líquido viscoso. Por lo tanto, en la capa de grafeno deberían producirse fenómenos de flujo bien conocidos, como los vórtices.
Reportaje en la revista Science , investigadores de la ETH Zurich en el grupo de Christian Degen han logrado por primera vez detectar directamente vórtices de electrones en grafeno, utilizando un sensor de campo magnético de alta resolución.
Los vórtices se formaron en pequeños discos circulares que Degen y sus compañeros habían unido durante el proceso de fabricación a una tira conductora de grafeno de sólo un micrómetro de ancho. Los discos tenían diferentes diámetros entre 1,2 y 3 micrómetros. Los cálculos teóricos sugirieron que los vórtices de electrones deberían formarse en los discos más pequeños, pero no en los más grandes.
Para hacer visibles los vórtices, los investigadores midieron los diminutos campos magnéticos producidos por los electrones que fluyen dentro del grafeno. Para ello utilizaron un sensor de campo magnético cuántico que consiste en el llamado centro de nitrógeno vacante (NV) incrustado en la punta de una aguja de diamante.
Al ser un defecto atómico, el centro NV se comporta como un objeto cuántico cuyos niveles de energía dependen de un campo magnético externo. Utilizando rayos láser y pulsos de microondas, se pueden preparar los estados cuánticos del centro de tal manera que sean máximamente sensibles a los campos magnéticos. Al leer los estados cuánticos con un láser, los investigadores pudieron determinar la intensidad de esos campos con mucha precisión.
"Debido a las diminutas dimensiones de la aguja de diamante y a la pequeña distancia de la capa de grafeno (sólo unos 70 nanómetros), pudimos hacer visibles las corrientes de electrones con una resolución de menos de cien nanómetros", dice Marius Palm, ex Doctor. estudiante del grupo de Degen. Esta resolución es suficiente para ver los vórtices.
En sus mediciones, los investigadores observaron un signo característico de los vórtices esperados en los discos más pequeños:una inversión de la dirección del flujo. Mientras que en el transporte de electrones normal (difusivo), los electrones en la tira y el disco fluyen en la misma dirección, en el caso de un vórtice, la dirección del flujo dentro del disco se invierte. Como predijeron los cálculos, no se pudieron observar vórtices en los discos más grandes.
"Gracias a nuestro sensor extremadamente sensible y a nuestra alta resolución espacial, ni siquiera fue necesario enfriar el grafeno y pudimos realizar los experimentos a temperatura ambiente", afirma Palm. Además, él y sus colegas no sólo detectaron vórtices de electrones, sino también vórtices formados por portadores de huecos.
Al aplicar un voltaje eléctrico desde debajo del grafeno, cambiaron el número de electrones libres de tal manera que el flujo de corriente ya no era transportado por electrones, sino por electrones faltantes, también llamados huecos. Sólo en el punto de neutralidad de carga, donde hay una concentración pequeña y equilibrada tanto de electrones como de huecos, los vórtices desaparecieron por completo.
"En este momento, la detección de vórtices de electrones es una investigación básica y todavía quedan muchas preguntas abiertas", dice Palm. Por ejemplo, los investigadores aún necesitan descubrir cómo las colisiones de los electrones con los bordes del grafeno influyen en el patrón de flujo y qué efectos se producen en estructuras aún más pequeñas.
El nuevo método de detección utilizado por los investigadores de ETH también permite observar más de cerca muchos otros efectos exóticos del transporte de electrones en estructuras mesoscópicas, fenómenos que ocurren en escalas de longitud desde varias decenas de nanómetros hasta unos pocos micrómetros.
Más información: Marius L. Palm et al, Observación de remolinos actuales en grafeno a temperatura ambiente, Ciencia (2024). DOI:10.1126/ciencia.adj2167
Información de la revista: Ciencia
Proporcionado por ETH Zurich
