Una colaboración liderada por la TU/e y el Instituto Catalán de Nanociencia y Nanotecnología en la que participan investigadores de todo el mundo tiene la respuesta, y el por qué, y los resultados se han publicado en la revista Science Advances .
Los electrones transportan energía eléctrica, mientras que la energía vibratoria la transportan los fonones. Comprender cómo interactúan entre sí en ciertos materiales, como en un sándwich de dos capas de grafeno, tendrá implicaciones para futuros dispositivos optoelectrónicos.
Trabajos recientes han revelado que las capas de grafeno retorcidas entre sí mediante un pequeño "ángulo mágico" pueden actuar como un perfecto aislante o superconductor. Pero la física de las interacciones electrón-fonón es un misterio. Como parte de una colaboración internacional a nivel mundial, el investigador de TU/e, Klaas-Jan Tielrooij, ha dirigido un estudio sobre las interacciones electrón-fonón en capas de grafeno. Y han hecho un descubrimiento sorprendente.
¿Qué le dijo el electrón al fonón entre dos capas de grafeno? Esto podría sonar como el comienzo de un meme de física con un remate hilarante a continuación. Pero, según Klaas-Jan Tielrooij, ese no es el caso. Es profesor asociado en el Departamento de Física Aplicada y Educación Científica de TU/e y líder de investigación del nuevo trabajo publicado en Science Advances. .
"Intentamos comprender cómo los electrones y los fonones 'se comunican' entre sí dentro de dos capas retorcidas de grafeno", dice Tielrooij.
Los electrones son los conocidos portadores de carga y energía asociados con la electricidad, mientras que un fonón está vinculado a la aparición de vibraciones entre los átomos en un cristal atómico.
"Sin embargo, los fonones no son partículas como los electrones, son una cuasipartícula. Sin embargo, su interacción con los electrones en ciertos materiales y cómo afectan la pérdida de energía en los electrones ha sido un misterio durante algún tiempo", señala Tielrooij.
Pero ¿por qué sería interesante aprender más sobre las interacciones entre electrones y fonones? "Estas interacciones pueden tener un efecto importante en las propiedades electrónicas y optoelectrónicas de los dispositivos, fabricados a partir de materiales como el grafeno, que veremos más en el futuro".
Tielrooij y sus colaboradores, que residen en España, Alemania, Japón y Estados Unidos, decidieron estudiar las interacciones electrón-fonón en un caso muy particular:dentro de dos capas de grafeno, donde las capas están ligeramente desalineadas. .
El grafeno es una capa bidimensional de átomos de carbono dispuestos en una red de panal que tiene varias propiedades impresionantes, como alta conductividad eléctrica, alta flexibilidad y alta conductividad térmica, y también es casi transparente.
En 2018, el premio al Avance Mundial del Año en Física fue para Pablo Jarillo-Herrero y sus colegas del MIT por su trabajo pionero en twistrónica, donde capas adyacentes de grafeno se giran muy ligeramente entre sí para cambiar las propiedades electrónicas del grafeno. .
"Dependiendo de cómo se giran las capas de grafeno y se dopan con electrones, son posibles resultados contrastantes. Para ciertos dopajes, las capas actúan como un aislante, lo que impide el movimiento de los electrones. Para otros dopajes, el material se comporta como un superconductor, un material con resistencia cero que permite el movimiento de electrones sin disipación", dice Tielrooij.
Más conocido como grafeno bicapa retorcido, estos resultados ocurren en el llamado ángulo mágico de desalineación, que es poco más de un grado de rotación. "La desalineación entre las capas es mínima, pero la posibilidad de crear un superconductor o un aislante es un resultado sorprendente."
Para su estudio, Tielrooij y el equipo querían aprender más sobre cómo los electrones pierden energía en el grafeno bicapa retorcido en ángulo mágico, o MATBG para abreviar.
Para lograrlo, utilizaron un material que consta de dos láminas de grafeno monocapa (cada una de 0,3 nanómetros de espesor), colocadas una encima de la otra y desalineadas entre sí aproximadamente un grado.
Luego, utilizando dos técnicas de medición optoelectrónica, los investigadores pudieron sondear en detalle las interacciones electrón-fonón e hicieron algunos descubrimientos asombrosos.
"Observamos que la energía desaparece muy rápidamente en el MATBG; ocurre en la escala de tiempo de picosegundos, ¡que es una millonésima de una millonésima de segundo!" dice Tielrooij.
Esta observación es mucho más rápida que en el caso de una sola capa de grafeno, especialmente a temperaturas ultrafrías (concretamente por debajo de -73°C). "A estas temperaturas, es muy difícil para los electrones perder energía en fonones, pero esto sucede en el MATBG. Observamos que la energía desaparece muy rápidamente en el MATBG; ocurre en la escala de tiempo de picosegundos, que es una millonésima de una. millonésima de segundo."
Entonces, ¿por qué los electrones pierden energía tan rápidamente al interactuar con los fonones? Bueno, resulta que los investigadores han descubierto un proceso físico completamente nuevo.
"La fuerte interacción electrón-fonón es un proceso físico completamente nuevo e implica la llamada dispersión Umklapp electrón-fonón", añade Hiroaki Ishizuka del Instituto Tecnológico de Tokio en Japón, quien desarrolló la comprensión teórica de este proceso junto con Leonid Levitov de Massachusetts. Instituto de Tecnología de EE. UU.
La dispersión de Umklapp entre fonones es un proceso que a menudo afecta la transferencia de calor en los materiales, porque permite transferir cantidades relativamente grandes de impulso entre fonones.
"Vemos los efectos de la dispersión fonón-fonón de Umklapp todo el tiempo, ya que afecta la capacidad de los materiales (no metálicos) a temperatura ambiente para conducir el calor. Basta pensar en un material aislante en el mango de una olla, por ejemplo", dice Ishizuka. "Sin embargo, la dispersión de Umklapp entre electrones y fonones es rara. Sin embargo, aquí hemos observado por primera vez cómo los electrones y los fonones interactúan a través de la dispersión de Umklapp para disipar la energía de los electrones. La fuerte interacción entre electrones y fonones es un proceso físico completamente nuevo e implica lo que se llama dispersión de Umklapp electrón-fonón."
Es posible que Tielrooij y sus colaboradores hayan completado la mayor parte del trabajo mientras él residía en España en el Instituto Catalán de Nanociencia y Nanotecnología (ICN2), pero como señala Tielrooij. "La colaboración internacional resultó fundamental para realizar este descubrimiento".
Entonces, ¿cómo contribuyeron todos los colaboradores a la investigación? Tielrooij dice:"Primero, necesitábamos técnicas de fabricación avanzadas para fabricar las muestras MATBG. Pero también necesitábamos una comprensión teórica profunda de lo que sucede en las muestras. Además, se requerían configuraciones de medición optoelectrónicas ultrarrápidas para medir lo que sucede en las muestras también". . La colaboración internacional resultó fundamental para realizar este descubrimiento."
Tielrooij y el equipo recibieron las muestras retorcidas con ángulos mágicos del grupo de Dmitri Efetov en la Universidad Ludwig-Maximilians de Múnich, que fue el primer grupo en Europa capaz de fabricar este tipo de muestras y que también realizó mediciones de fotomezcla, mientras trabajaba teóricamente en el MIT en el Estados Unidos y el Instituto de Tecnología de Tokio en Japón resultaron cruciales para el éxito de la investigación.
En ICN2, Tielrooij y los miembros de su equipo, Jake Mehew y Alexander Block, utilizaron equipos de última generación, en particular microscopía de fotovoltaje de resolución temporal, para realizar sus mediciones de la dinámica de electrones y fonones en las muestras.
Entonces, ¿cómo será el futuro de estos materiales? Según Tielrooij, no esperen nada demasiado pronto.
"Dado que el material sólo se está estudiando desde hace unos años, todavía estamos lejos de ver que el grafeno bicapa retorcido en ángulo mágico tenga un impacto en la sociedad."
Pero aún queda mucho por explorar sobre la pérdida de energía en el material.
"Los futuros descubrimientos podrían tener implicaciones para la dinámica del transporte de carga, lo que podría tener implicaciones para futuros dispositivos optoelectrónicos ultrarrápidos", afirma Tielrooij. "En particular, serían muy útiles a bajas temperaturas, lo que hace que el material sea adecuado para aplicaciones espaciales y cuánticas".
La investigación de Tielrooij y el equipo internacional es un verdadero avance en lo que respecta a cómo interactúan los electrones y los fonones entre sí.
Pero tendremos que esperar un poco más para entender completamente las consecuencias de lo que el electrón le dijo al fonón en el sándwich de grafeno.
Más información: Jake Dudley Mehew et al, Enfriamiento ultrarrápido de fonones electrónicos asistido por Umklapp en grafeno bicapa retorcido de ángulo mágico, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adj1361
Información de la revista: Avances científicos
Proporcionado por la Universidad Tecnológica de Eindhoven
