Investigación que aparece en ACS Nano revela el movimiento balístico de los electrones en el grafeno en tiempo real.
Las observaciones realizadas en el Laboratorio de Láser Ultrarrápido de la Universidad de Kansas podrían conducir a avances en el gobierno de los electrones en los semiconductores, componentes fundamentales en la mayoría de las tecnologías de la información y la energía.
"Generalmente, el movimiento de los electrones se ve interrumpido por colisiones con otras partículas sólidas", dijo el autor principal Ryan Scott, estudiante de doctorado en el Departamento de Física y Astronomía de KU.
"Esto es similar a alguien corriendo en un salón de baile lleno de bailarines. Estas colisiones son bastante frecuentes, alrededor de 10 a 100 mil millones de veces por segundo. Ralentizan los electrones, causan pérdida de energía y generan calor no deseado. Sin colisiones, un electrón moverse ininterrumpidamente dentro de un sólido, similar a los automóviles en una autopista o los misiles balísticos a través del aire. Nos referimos a esto como "transporte balístico".
Scott realizó los experimentos de laboratorio bajo la tutoría de Hui Zhao, profesor de física y astronomía en KU. A ellos se unió al trabajo el ex estudiante de doctorado de KU, Pavel Valencia-Acuña, ahora investigador postdoctoral en el Laboratorio Nacional del Pacífico Noroeste.
Zhao dijo que los dispositivos electrónicos que utilizan transporte balístico podrían ser potencialmente más rápidos, más potentes y más eficientes energéticamente.
"Los dispositivos electrónicos actuales, como computadoras y teléfonos, utilizan transistores de efecto de campo basados en silicio", dijo Zhao. "En estos dispositivos, los electrones sólo pueden desplazarse a una velocidad del orden de centímetros por segundo debido a las frecuentes colisiones que encuentran. El transporte balístico de electrones en el grafeno se puede utilizar en dispositivos con alta velocidad y bajo consumo de energía". P>
Los investigadores de KU observaron el movimiento balístico en el grafeno, un material prometedor para dispositivos electrónicos de próxima generación. Descubierto por primera vez en 2004 y galardonado con el Premio Nobel de Física en 2010, el grafeno está hecho de una sola capa de átomos de carbono que forman una estructura reticular hexagonal, algo así como una red de fútbol.
"Los electrones en el grafeno se mueven como si su masa 'efectiva' fuera cero, lo que los hace más propensos a evitar colisiones y moverse balísticamente", dijo Scott. "Experimentos eléctricos anteriores, mediante el estudio de corrientes eléctricas producidas por voltajes en diversas condiciones, han revelado signos de transporte balístico. Sin embargo, estas técnicas no son lo suficientemente rápidas para rastrear los electrones a medida que se mueven."
Según los investigadores, los electrones en el grafeno (o cualquier otro semiconductor) son como estudiantes sentados en un aula llena, donde los estudiantes no pueden moverse libremente porque los escritorios están llenos. La luz láser puede liberar electrones para que abandonen momentáneamente un escritorio o un "agujero", como los llaman los físicos.
"La luz puede proporcionar energía a un electrón para liberarlo y poder moverse libremente", dijo Zhao. "Esto es similar a permitir que un estudiante se levante y se aleje de su asiento. Sin embargo, a diferencia de un estudiante con carga neutra, un electrón tiene carga negativa. Una vez que el electrón ha abandonado su "asiento", el asiento se carga positivamente y rápidamente arrastra el electrón hacia atrás, lo que da como resultado que ya no haya más electrones móviles, como el estudiante que se vuelve a sentar."
Debido a este efecto, los electrones superligeros del grafeno sólo pueden permanecer móviles durante aproximadamente una billonésima de segundo antes de volver a caer a su asiento. Este corto tiempo presenta un severo desafío para observar el movimiento de los electrones. Para abordar este problema, los investigadores de KU diseñaron y fabricaron una estructura artificial de cuatro capas con dos capas de grafeno separadas por otros dos materiales de una sola capa, disulfuro de molibdeno y diseleniuro de molibdeno.
"Con esta estrategia, pudimos guiar los electrones hacia una capa de grafeno mientras manteníamos sus 'asientos' en la otra capa de grafeno", dijo Scott. "Separarlos con dos capas de moléculas, con un espesor total de sólo 1,5 nanómetros, obliga a los electrones a permanecer móviles durante aproximadamente 50 billonésimas de segundo, tiempo suficiente para los investigadores, equipados con láseres que alcanzan una velocidad de 0,1 billonésimas de segundo. , para estudiar cómo se mueven."
Los investigadores utilizan un punto láser muy enfocado para liberar algunos electrones en su muestra. Rastrean estos electrones trazando la "reflectancia" de la muestra, o el porcentaje de luz que reflejan.
"Vemos la mayoría de los objetos porque reflejan la luz a nuestros ojos", dijo Scott.
"Los objetos más brillantes tienen una mayor reflectancia. Por otro lado, los objetos oscuros absorben la luz, razón por la cual la ropa oscura se calienta en el verano. Cuando un electrón móvil se mueve a una determinada ubicación de la muestra, hace que esa ubicación sea ligeramente más brillante cambiando la forma Los electrones en ese lugar interactúan con la luz. El efecto es muy pequeño; incluso con todo optimizado, un electrón solo cambia la reflectancia en 0,1 partes por millón".
Para detectar un cambio tan pequeño, los investigadores liberaron 20.000 electrones a la vez, utilizando una sonda láser para reflejar la muestra y medir esta reflectancia, repitiendo el proceso 80 millones de veces para cada punto de datos. Descubrieron que los electrones, en promedio, se mueven balísticamente durante aproximadamente 20 billonésimas de segundo con una velocidad de 22 kilómetros por segundo antes de toparse con algo que pone fin a su movimiento balístico.
Más información: Ryan J. Scott et al, Observación espaciotemporal del transporte cuasi balístico de electrones en grafeno, ACS Nano (2023). DOI:10.1021/acsnano.3c08816
Información de la revista: ACS Nano
Proporcionado por la Universidad de Kansas
