Los humanos han aprovechado grandes porciones del espectro electromagnético para diversas tecnologías, desde rayos X hasta radios, pero una parte de ese espectro ha permanecido en gran medida fuera del alcance. Esto se conoce como la brecha de terahercios, ubicada entre las ondas de radio y la radiación infrarroja, dos partes del espectro que utilizamos en tecnologías cotidianas, incluidos teléfonos celulares, controles remotos de TV y tostadoras
Una teoría desarrollada por el fallecido profesor de Stanford y premio Nobel Felix Bloch sugirió que un material especialmente estructurado que permitiera que los electrones oscilaran de una manera particular podría ser capaz de conducir estas señales de terahercios solicitadas.
Ahora, décadas después de la teoría de Bloch, los físicos de Stanford pueden haber desarrollado materiales que permiten estas oscilaciones teorizadas, algún día permitiendo mejoras en las tecnologías desde las células solares hasta los escáneres de aeropuerto. El grupo publicó sus hallazgos en la edición del 30 de septiembre de ciencia .
Innovaciones en materiales de superredes
Los investigadores han pensado durante mucho tiempo que los materiales con patrones espaciales repetitivos en la nanoescala podrían permitir las oscilaciones de Bloch, pero la tecnología solo está alcanzando la teoría. Tal material requiere que los electrones viajen largas distancias sin deflexión, donde incluso la más pequeña imperfección en elmedio a través del cual fluyen los electrones puede apartarlos de su camino original, como una corriente que intenta enrollar y rodear rocas y árboles caídos.
La creciente investigación en el campo de los materiales bidimensionales y las superredes podría hacer que este tipo de material sea una realidad. Las superredes son semiconductores formados por capas de materiales ultradelgados cuyos átomos están dispuestos en un patrón reticular periódico.
Para este estudio, los investigadores crearon una superredes bidimensional al intercalar una lámina de grafeno atómicamente delgado entre dos láminas de nitruro de boro eléctricamente aislante. Los átomos en el grafeno y el nitruro de boro tienen una separación ligeramente diferente, por lo que cuando se apilanuno encima del otro crean un patrón de interferencia de onda especial llamado patrón de moiré.
Nuevos usos para electrones
Protegidos del aire y los contaminantes por nitruro de boro arriba y abajo, los electrones en el grafeno fluyen a lo largo de caminos lisos sin deflexión, exactamente como la teoría sugerida sería necesaria para conducir señales de terahercios. Los investigadores pudieron enviar electrones a través de la hoja de grafeno, recogerdel otro lado y úselos para inferir la actividad de los electrones en el camino.
Por lo general, cuando se aplica un voltaje a través de un cristal, los electrones se aceleran continuamente en la dirección del campo eléctrico hasta que se desvían. En esta superredes de muaré, los investigadores demostraron que los electrones pueden limitarse a bandas de energía más estrechas, dijo la físicaEl profesor David Goldhaber-Gordon, coautor del estudio. Combinado con tiempos muy largos entre deflexiones, esto debería hacer que los electrones oscilen en su lugar y emitan radiación en el rango de frecuencia de terahercios. Este es un éxito fundamental en el camino hacia la creación de controlemisión y detección de frecuencias de terahercios.
Además de acercar la teoría de Bloch a la realidad, los investigadores encontraron un cambio completamente sorprendente en la estructura electrónica de su material de superredes.
"En los semiconductores, como el silicio, podemos ajustar cuántos electrones están empaquetados en este material", dijo Goldhaber-Gordon. "Si agregamos más, se comportarán como si estuvieran cargados negativamente. Si sacamos algo, ella corriente que se mueve a través del sistema se comporta como si en su lugar estuviera compuesta de cargas positivas, aunque sabemos que son todos electrones ".
Pero esta superrejilla trae un nuevo giro: agregar aún más electrones produce partículas de carga positiva y eliminar aún más los retornos a la carga negativa.
Las aplicaciones futuras de esta inversión en el carácter de los electrones podrían presentarse en forma de uniones pn más eficientes, que son elementos fundamentales para la mayoría de los dispositivos electrónicos semiconductores, como las células solares, los LED y los transistores. Normalmente, si se ilumina la luzuna unión pn, el envío de un electrón por cada fotón absorbido se considera un rendimiento excelente, pero estas nuevas uniones podrían emitir varios electrones por fotón, cosechando la energía de la luz de manera más efectiva.
Terahertz y Stanford, pasado y futuro
Si bien esta nueva investigación aún no ha creado un oscilador Bloch, los científicos han logrado el primer paso al mostrar que el impulso y la velocidad de un electrón se pueden preservar durante largos tiempos y distancias dentro de esta superredes, dijo Menyoung Lee, co-autor del estudio que realizó la investigación como estudiante graduado en el Grupo Goldhaber-Gordon.
"Aplicamos las primeras lecciones originales de física de estado sólido que Felix Bloch descubrió hace mucho tiempo, y resulta que podemos usar eso para impulsar fenómenos de conducción únicos en materiales de ingeniería novedosos", dijo Lee.
La tecnología de frecuencia de Terahertz podría eventualmente ser una mejora en las tecnologías actuales. Cuando los aeropuertos de EE. UU. Escanean a los pasajeros en los puntos de control de seguridad hoy en día, usan microondas, que penetran en materiales no metálicos para revelar objetos metálicos ocultos. Goldhaber-Gordon explicó que terahertz tiene propiedades de transmisión similares pero más cortaslongitud de onda, que puede revelar incluso objetos ocultos no metálicos en alta resolución. Agregó que los escáneres de terahercios también podrían usarse para detectar defectos tales como cavidades ocultas en objetos en una línea de montaje de fabricación.
La conducción electrónica limpia demostrada en este trabajo también fomentó la comprensión de las formas en que los electrones interactúan y fluyen, y Goldhaber-Gordon dijo que su laboratorio planea usar estos conocimientos para trabajar en la creación de haces de electrones extremadamente estrechos para enviar a través de superredes.llamamos a este nuevo campo "óptica electrónica en materiales bidimensionales" porque estos haces viajan en línea recta y obedecen las leyes de refracción de manera similar a los haces de luz.
"Esta será un área que abrirá muchas posibilidades nuevas", dijo Goldhaber-Gordon, "y estamos apenas comenzando a explorar qué podemos hacer".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Stanford . Original escrito por Taylor Kubota. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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