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EL OCCIPITAL DE EINSTEIN (CIENCIA)

Electrones balísticos más allá en las nanocintas

Jesús Madrigal Melchor y Raúl Alberto Reyes Villagrana

Electrones balísticos más allá en las nanocintas

Si bien es cierto que el área de nuestra investigación es grafeno, la razón de que hablemos de él es debida a que sus aplicaciones se están desarrollando de una manera muy vertiginosa, es por esto que en esta ocasión les vamos a presentar cómo se comporta el grafeno cuando es crecido por métodos epitaxiales y de cómo mejoran sus propiedades de conducción gracias a esta técnica de crecimiento.

Un grupo internacional de investigadores ha demostrado que los electrones pueden viajar más de 10 micras en nanocintas de grafeno sin dispersión, que es mucho más de los predicho por la teoría. Aún más sorprendente, el equipo descubrió un gran salto en la resistencia eléctrica de las secciones de nanocinta que son más largas, esto es aproximadamente 16 micras. Estos resultados desconcertantes podrían sugerir que el grafeno alberga un nuevo tipo de mecanismo de transporte electrónico hasta ahora desconocido para los físicos. Sin embargo, la presencia de imperfecciones e impurezas significa que un electrón puede viajar sólo alrededor de 10nm en una hojuela de grafeno antes de la dispersión, lo que aumenta la resistencia eléctrica del material.

Una manera prometedora de avanzar es hacer que los dispositivos usen grafeno epitaxial, que es una sola capa de carbono crecido sobre un sustrato tal como carburo de silicio. Además de ser susceptibles a las técnicas de fabricación comercial, los dispositivos basados en grafeno epitaxial se pueden hacer con gran precisión y con un pequeño número de impurezas e imperfecciones, esto es una ventaja de esta técnica de crecimiento.

Electrones balísticos

Walt de Heer y sus colegas del Instituto de Tecnología de Georgía, junto con investigadores de Alemania, Francia y los Estados Unidos, han construido cintas puras (mínimos defectos e imperfecciones) de grafeno epitaxial de sólo 40nm de ancho. Demostraron que los electrones pueden viajar a lo largo del borde de la cinta sin dispersión. Este comportamiento es muy similar al que tienen los fotones cuando viajan a lo largo de una fibra óptica, o al de las balas disparadas por un arma de fuego, por lo que los electrones se llaman “balísticos”.

Se golpea con la sonda

El transporte balístico se confirmó mediante el estudio de las propiedades eléctricas de las nanocintas utilizando un esquema tradicional de medición de cuatro sondas. Cuando una sonda se une a una nanocinta, los electrones balísticos la chocan, lo que resulta en un enorme incremento en la resistencia eléctrica de la nanocinta. Por el contrario, una colisión con la sonda por un electrón de conducción convencional tienen un efecto mínimo en la resistencia debido a que estos electrones ya han sido objeto de muchas colisiones a medida que viajan a lo largo de la nanocinta. Cuando una segunda sonda se coloca en las nanocintas, la resistencia aumenta drásticamente de nuevo, lo que confirma que la corriente que fluye a través de la nanocinta se está llevando por electrones balísticos.

Un parámetro importante que describe el transporte balístico es la distancia media que viaja un electrón antes de chocar con los átomos de una nanocinta. Los electrones balísticos encuentran con muy poca resistencia eléctrica, pero tan pronto como se dispersan, la resistencia aumenta. El equipo determinó el “camino libre medio” cuando viaja antes de una colisión midiendo el aumento en la resistencia de las secciones de una nanocinta que variaba en longitud de 1 a 5 micras.

Gran sorpresa

Este estudio reveló un pequeño cambio en la resistencia a través de las distancias estudiadas y esto permitió que el equipo extrapolara  un camino libre medio de alrededor de 100 micras. Sin embargo, cuando los investigadores midieron las resistencias en distancias más largas, encontraron una gran sorpresa; que para distancias superiores a 16 micras la resistencia, aumentó rápidamente con la longitud e hizo evidente que el camino libre medio es mucho más corto que el valor extrapolado.

Mientras que la razón de este rápido aumento sigue siendo un misterio, De Heer especula que podría tener algo que ver con la naturaleza fundamental de los portadores de carga balísticos. En lugar de ser partículas elementales, cree que los portadores de carga podrían ser cuasi-partículas, similares a las partículas que surgen de las interacciones entre los electrones y la red de grafeno circundante. Un ejemplo clásico es el par de Cooper de electrones que transporta carga en algunos superconductores. De Heer sugiere que la carga de transporte de cuasi-partículas en el grafeno podría tener una vida finita, que sólo les permite viajar alrededor de 16 micras en una nanocinta antes de decaer.

La idea de que nueva física podría estar al acecho en el grafeno para explicar estos comportamientos extraños, también está respaldada por el hecho de que la resistencia medida en las nanocintas, creadas por los grupos de investigación, es mucho menor que le predicha por la teoría. Mediante el estudio de la interferencia cuántica que se produce en este tipo de dispositivos, los investigadores esperan determinar propiedades importantes de los portadores de carga y averiguar si estos son cuasi-partículas o no.

Esta investigación se describió en Nature