Láseres ultrarrápidos mapean los ‘próximos’ electrones en el grafeno, con implicaciones para los dispositivos electrónicos de próxima generación

Lorenzo – Buscar Aparece en ACS Nanouna revista líder en nanociencia y nanotecnología, revela el movimiento balístico de los electrones en el grafeno en tiempo real.

Observaciones realizadas en la Universidad de Kansas. Laboratorio de láser ultrarrápidoPodría conducir a avances en el control de electrones en semiconductores, los componentes centrales de la mayor parte de la tecnología de la información y la energía.

«En general, el movimiento de los electrones se ve interrumpido por colisiones con otras moléculas en sólidos», dijo el autor principal Ryan Scott, estudiante de doctorado en el Departamento de Física y Astronomía de la Universidad de Kansas. «Esto es similar a alguien corriendo por una sala de baile llena 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 las colisiones, el electrón se movería ininterrumpidamente dentro de un sólido, similar a los automóviles en una carretera o los misiles balísticos a través del aire, a esto nos referimos como “transporte balístico”.

Scott llevó a cabo los experimentos de laboratorio bajo la supervisión de Hui Zhao, profesor de física y astronomía en KU. A ellos se une en el trabajo el ex estudiante de doctorado de KU Pavel Valencia Acuña, ahora investigador postdoctoral en el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico.

Los dispositivos electrónicos que utilizan transporte balístico podrían ser más rápidos, más fuertes y más eficientes energéticamente, afirmó Zhao.

«Los dispositivos electrónicos actuales, como computadoras y teléfonos, utilizan transistores de efecto de campo basados ​​en silicio», dijo Zhao. «En tales dispositivos, los electrones sólo pueden desplazarse a velocidades de hasta centímetros por segundo debido a las frecuentes colisiones que encuentran. El transporte balístico de electrones en grafeno se puede utilizar en dispositivos con alta velocidad y bajo consumo de energía».

Investigadores de KU han observado movimiento balístico en 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, un poco como una red de fútbol.

«Los electrones en el grafeno se mueven como si tuvieran masa ‘efectiva’ cero, lo que los hace más propensos a evitar colisiones y moverse balísticamente», dijo Scott. «Experimentos eléctricos anteriores, al estudiar las corrientes eléctricas producidas por voltajes en diferentes 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 del grafeno (o de cualquier otro semiconductor) son como estudiantes sentados en un aula llena, donde los estudiantes no pueden moverse libremente porque los pupitres están llenos. La luz láser puede liberar electrones para limpiar momentáneamente el escritorio, o «agujero», como lo llaman los físicos.

«La luz puede proporcionar energía al electrón para liberarlo y poder moverse libremente», dijo Zhao. «Esto es similar a permitir que el estudiante se levante y se aleje de su asiento. Sin embargo, a diferencia de un estudiante neutral, el electrón está cargado negativamente. Una vez que el electrón abandona su ‘asiento’, el asiento se carga positivamente y rápidamente tira El electrón regresa, lo que hace que ya no haya más electrones en movimiento, como si un estudiante se sentara nuevamente.

Debido a este efecto, los electrones ultraligeros del grafeno sólo pueden permanecer en movimiento durante aproximadamente una billonésima de segundo antes de volver a caer en su lugar. Un tiempo tan corto representa un gran desafío para observar el movimiento de los electrones. Para abordar este problema, los investigadores de KU diseñaron y fabricaron una estructura sintética de cuatro capas con dos capas de grafeno separadas por otros dos materiales monocapa, disulfuro de molibdeno y diseleniuro de molibdeno.

«Con esta estrategia, pudimos dirigir electrones a una capa de grafeno mientras manteníamos sus ‘asientos’ en la otra capa de grafeno», dijo Scott. “Separarlos por dos capas de moléculas, con un espesor total de sólo 1,5 nanómetros, obliga a los electrones a permanecer en movimiento durante 50 billonésimas de segundo, tiempo suficiente para que investigadores equipados con láseres de hasta 0,1 billonésimas de segundo puedan estudiar cómo ellos mueven.»

Los investigadores utilizan un punto láser muy enfocado para liberar algunos de los electrones de su muestra. Rastrean estos electrones determinando la «reflectancia» de la muestra, o el porcentaje de luz que refleja.

«Vemos la mayoría de las cosas porque reflejan la luz en nuestros ojos», dijo Scott. «Los objetos más brillantes tienen una mayor reflectancia. Los objetos más oscuros, por otro lado, absorben la luz, razón por la cual la ropa oscura se calienta en el verano. Cuando un electrón en movimiento se mueve a una determinada ubicación de la muestra, hace que esa ubicación sea un poco más brillante al cambiando la forma en que los electrones interactúan en ese lugar con la luz. El efecto es tan pequeño, incluso con todo optimizado, que un electrón cambia la reflectancia en solo 0,1 ppm.

Para detectar un cambio tan pequeño, los investigadores dispararon 20.000 electrones simultáneamente, utilizaron una sonda láser para reflejar la muestra y midieron ese reflejo, y repitieron el proceso 80 millones de veces para cada punto de datos. Descubrieron que, en promedio, los electrones se mueven balísticamente durante 20 billonésimas de segundo a una velocidad de 22 kilómetros por segundo antes de chocar con algo que ponga fin a su movimiento balístico.

La investigación fue financiada por una subvención del Departamento de Energía en el marco del Programa de Comportamiento Físico de Materiales.

Zhao dijo que su laboratorio está trabajando actualmente en mejorar el diseño de materiales para dirigir los electrones de manera más eficiente a la capa de grafeno deseada y está tratando de encontrar formas de hacerlos viajar distancias balísticas más largas.

Imagen superior: Laboratorio de láser ultrarrápido. Crédito: Comunicaciones de marketing de KU