Los investigadores han provocado experimentalmente que los electrones se doblen en el grafeno bicapa con el uso de la luz. La forma en que los electrones fluyen en los materiales determina sus propiedades electrónicas. Por ejemplo, cuando se mantiene un voltaje en un material conductor, los electrones comienzan a fluir, generando una corriente eléctrica.A menudo se cree que estos electrones fluyen en trayectorias rectas, moviéndose a lo largo del campo eléctrico, como una pelota que rueda cuesta abajo. Sin embargo, estas no son las únicas trayectorias que pueden tomar los electrones: cuando se aplica un campo magnético, los electrones ya no viajan.en trayectorias rectas a lo largo del campo eléctrico, pero de hecho, se doblan. Los flujos electrónicos doblados conducen a señales transversales llamadas respuestas de "Hall".
Ahora, ¿es posible doblar electrones sin aplicar un campo magnético? En un estudio publicado recientemente en Ciencia, un equipo internacional de investigadores informa que la luz polarizada circular puede inducir flujos electrónicos doblados en el grafeno bicapa. El estudio ha sido realizado por un equipo que incluye a los científicos del ICFO Jianbo Yin actualmente investigador del Beijing Graphene Institute, China, David Barcons, Iacopo Torre, dirigido por ICREA Prof. en ICFO Frank Koppens, en colaboración con Cheng Tan y James Hone de la Universidad de Columbia, Kenji Watanabe y Takashi Taniguchi de NIMS Japón y el Prof. Justin Song de la Universidad Tecnológica de Nanyang NTU en Singapur.
Jianbo Yin, primer autor del estudio, recuerda cómo comenzó todo. "Este estudio colaborativo comenzó en 2016 con una conversación entre Justin Song y Frank Koppens en una conferencia científica". Como explica Justin Song, "Los electrones no son solo partículas, pero puede tener una naturaleza de onda cuántica". En los materiales cuánticos, como el grafeno bicapa, el patrón de onda de los electrones puede exhibir un devanado complejo, a menudo denominado geometría cuántica. "Frank y yo hablamos sobre la posibilidad de aprovechar la geometría cuánticaen grafeno bicapa para doblar el flujo de electrones con luz en lugar de usar campos magnéticos".
Con esto en mente, Jianbo Yin, investigador del equipo de Frank Koppens, decidió asumir el desafío de realizar experimentalmente este fenómeno inusual. "Nuestro dispositivo fue muy complicado de construir. Fue necesario construir muchos dispositivos y volar a la Universidad de Columbiatrabajar con Cheng Tan y James Hone para mejorar la calidad del dispositivo".
Geometría cuántica y selectividad de valle
En el grafeno bicapa, hay dos bolsas de valles de electrones K y K': cuando se aplica un campo eléctrico perpendicular, las propiedades geométricas cuánticas de los electrones en estos dos valles pueden hacer que se doblen en direcciones opuestas. Como resultado, sus efectos Hall se cancelan.
En su estudio, el equipo de científicos descubrió que al aplicar luz infrarroja polarizada circular en el dispositivo de grafeno bicapa, pudieron excitar selectivamente una población de electrones de un valle específico en el material, lo que generó un fotovoltaje perpendicular al flujo de electrones habitualComo destaca Koppens, "ahora diseñamos el dispositivo y la configuración de tal manera que la corriente solo fluye con iluminación ligera. Con esto, pudimos evitar el ruido de fondo que dificulta las mediciones y lograr una sensibilidad en la detección de varios órdenes de magnitud".mejor que cualquier otro material 2D". Este desarrollo es significativo porque los fotodetectores convencionales a menudo requieren grandes polarizaciones de voltaje que pueden conducir a "corrientes oscuras" que fluyen incluso cuando no hay luz.
Yin comenta que "podemos controlar la flexión de los electrones con el campo eléctrico fuera del plano que aplicamos. Podemos cambiar el ángulo de flexión de estos electrones, que puede cuantificarse mediante la conductividad Hall. Al controlar el voltaje 'perilla', la curvatura de Berry [una característica de la geometría cuántica], se puede ajustar, lo que puede conducir a una conductividad de Hall gigante".
Los resultados del estudio abren un nuevo campo de muchas aplicaciones de detección e imagen, como finalmente concluye Koppens. "Tal descubrimiento podría tener implicaciones importantes en las aplicaciones de detección de infrarrojos y terahercios, ya que el grafeno bicapa se puede transformar de semimetal a semiconductor con un muypequeña banda prohibida, por lo que puede detectar fotones de energías muy pequeñas. También puede ser útil, por ejemplo, para obtener imágenes en el espacio, imágenes médicas, por ejemplo, para el cáncer de piel de tejidos, o incluso para aplicaciones de seguridad como la inspección de calidad de los materiales".
Las posibilidades son múltiples y los próximos pasos de investigación centrados en nuevos materiales 2D, como el grafeno bicapa retorcido de material muaré, pueden encontrar nuevas formas de controlar los flujos de electrones y las propiedades optoelectrónicas no convencionales.
Fuente de la historia:
Materiales proporcionado por ICFO-Instituto de Ciencias Fotónicas. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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