Andrea Gamucci, trabajando en un sistema de mediciones eléctricas. Imagen: Andrea Freccioni. Fuente: Scuola Normale Superiore.
Una investigación realizada por científicos vinculados a la iniciativa europea Graphene Flagship ha revelado la existencia de una fase de superfluido en materiales bidimensionales a temperaturas ultra-bajas, lo cual abre la posibilidad de crear dispositivos electrónicos que disipen muy poca energía.
En las escalas atómicas y moleculares, explica la nota de prensa de Graphene Flagship, el mundo puede ser un lugar muy extraño, y nociones cotidianas como la temperatura, la energía y la coherencia física se desarbolan. A nivel cuántico, hay que hablar de probabilidad estadística en lugar del simple causa-efecto.
Superconductividad
Pasa, por ejemplo, con el concepto de la superfluidez, un estado ultra-frío en el que la materia actúa como un fluido con viscosidad cero. Se puede pensar en la superfluidez como análogo termodinámico generalizado de la superconductividad eléctrica, más comúnmente entendida, que consiste en que los electrones se mueven a través de los materiales sin resistencia ni pérdida de energía.
La superfluidez fue descubierta por primera vez en el helio líquido, a una temperatura de unos pocos grados por encima del cero absoluto, pero el fenómeno es evidente en escalas que van desde lo atómico a lo cósmico. Se relaciona con un estado de la materia conocido como condensado de Bose-Einstein, en el que una gran fracción de las partículas ocupan el estado de energía cuántica más bajo.
Las partículas, que a temperaturas más altas se mueven de manera aleatoria, pueden de este modo comportarse como un todo coherente o al menos cuasi-coherente, con lo que los efectos de la mecánica cuántica se hacen visibles a nivel macroscópico.
Aparte de lo esotérico que pueda parecer, tiene una parte práctica. Por un lado, tiene implicaciones en el comportamiento de los dispositivos electrónicos, si bien deben funcionar a temperaturas ultrabajas. Un grupo de investigadores han investigado las propiedades de los electrones que se mueven en estructuras bidimensionales formadas a partir de grafeno y arseniuro de galio.
El grafeno
El grafeno es carbono cristalino dispuesto en capas transparentes de un sólo átomo de espesor, con los átomos de carbono colocados en una red con forma de panal. Es el más conocido de los cientos de materiales bidimensionales descubiertos hasta la fecha, y tiene una serie de exclusivas propiedades eléctricas, mecánicas y de otros tipos que le dan un gran potencial para aplicaciones que van desde la electrónica a las estructuras super-fuertes.
Centrándose en mediciones del arrastre de Coulomb -el acoplamiento de fricción entre corrientes eléctricas en conductores separados espacialmente- investigadores dirigidos por Marco Polini, del Instituto de Nanociencia del Consejo Nacional de Investigación y de la Scuola Normale Superiore de Pisa (Italia), Vittorio Pellegrini, de los laboratorios de grafeno del Instituto Italiano de Tecnología de Génova, y Andrea Ferrari, del Centro del Grafeno de Cambridge, han encontrado que la resistividad de arrastre aumenta notablemente a temperaturas de menos de 5 grados Kelvin (-268,15 grados Celsius).
Es un resultado inesperado, partiendo como parte de la habitual dependencia de la temperatura que aparece en los líquidos de Fermi débilmente correlacionados (un modelo teórico que describe el comportamiento de los materiales más conductores eléctricamente a temperaturas ultra-bajas).
El flujo de electrones
En un artículo publicado recientemente en la revista Nature Communications, cuyo autor principal es Andrea Gamucci, el equipo informó de una nueva clase de estructuras electrónicas compuestas en las que el grafeno de simple o doble capa se encuentra muy próximo a un pozo cuántico hecho de arseniuro de galio (GaAs).
Un pozo cuántico, formado a partir de un semiconductor con valores discretos de energía, confina el movimiento de las partículas cargadas a un plano de dos dimensiones. La combinación del grafeno con un pozo cuántico resulta en una heteroestructura formada a partir de dos materiales de dos dimensiones diferentes, y un compuesto como ese se puede utilizar para investigar la interacción de los electrones y los huecos de electrones.
Cuando un electrón es excitado a un estado de energía más alto, se forma un hueco, una cuasi-partícula que se comporta como si se tratara de un electrón con carga positiva en lugar de negativa. Nótese que los huecos de electrones no son lo mismo que las anti-partículas físicamente reales, conocidas como positrones.
En las escalas atómicas y moleculares, explica la nota de prensa de Graphene Flagship, el mundo puede ser un lugar muy extraño, y nociones cotidianas como la temperatura, la energía y la coherencia física se desarbolan. A nivel cuántico, hay que hablar de probabilidad estadística en lugar del simple causa-efecto.
Superconductividad
Pasa, por ejemplo, con el concepto de la superfluidez, un estado ultra-frío en el que la materia actúa como un fluido con viscosidad cero. Se puede pensar en la superfluidez como análogo termodinámico generalizado de la superconductividad eléctrica, más comúnmente entendida, que consiste en que los electrones se mueven a través de los materiales sin resistencia ni pérdida de energía.
La superfluidez fue descubierta por primera vez en el helio líquido, a una temperatura de unos pocos grados por encima del cero absoluto, pero el fenómeno es evidente en escalas que van desde lo atómico a lo cósmico. Se relaciona con un estado de la materia conocido como condensado de Bose-Einstein, en el que una gran fracción de las partículas ocupan el estado de energía cuántica más bajo.
Las partículas, que a temperaturas más altas se mueven de manera aleatoria, pueden de este modo comportarse como un todo coherente o al menos cuasi-coherente, con lo que los efectos de la mecánica cuántica se hacen visibles a nivel macroscópico.
Aparte de lo esotérico que pueda parecer, tiene una parte práctica. Por un lado, tiene implicaciones en el comportamiento de los dispositivos electrónicos, si bien deben funcionar a temperaturas ultrabajas. Un grupo de investigadores han investigado las propiedades de los electrones que se mueven en estructuras bidimensionales formadas a partir de grafeno y arseniuro de galio.
El grafeno
El grafeno es carbono cristalino dispuesto en capas transparentes de un sólo átomo de espesor, con los átomos de carbono colocados en una red con forma de panal. Es el más conocido de los cientos de materiales bidimensionales descubiertos hasta la fecha, y tiene una serie de exclusivas propiedades eléctricas, mecánicas y de otros tipos que le dan un gran potencial para aplicaciones que van desde la electrónica a las estructuras super-fuertes.
Centrándose en mediciones del arrastre de Coulomb -el acoplamiento de fricción entre corrientes eléctricas en conductores separados espacialmente- investigadores dirigidos por Marco Polini, del Instituto de Nanociencia del Consejo Nacional de Investigación y de la Scuola Normale Superiore de Pisa (Italia), Vittorio Pellegrini, de los laboratorios de grafeno del Instituto Italiano de Tecnología de Génova, y Andrea Ferrari, del Centro del Grafeno de Cambridge, han encontrado que la resistividad de arrastre aumenta notablemente a temperaturas de menos de 5 grados Kelvin (-268,15 grados Celsius).
Es un resultado inesperado, partiendo como parte de la habitual dependencia de la temperatura que aparece en los líquidos de Fermi débilmente correlacionados (un modelo teórico que describe el comportamiento de los materiales más conductores eléctricamente a temperaturas ultra-bajas).
El flujo de electrones
En un artículo publicado recientemente en la revista Nature Communications, cuyo autor principal es Andrea Gamucci, el equipo informó de una nueva clase de estructuras electrónicas compuestas en las que el grafeno de simple o doble capa se encuentra muy próximo a un pozo cuántico hecho de arseniuro de galio (GaAs).
Un pozo cuántico, formado a partir de un semiconductor con valores discretos de energía, confina el movimiento de las partículas cargadas a un plano de dos dimensiones. La combinación del grafeno con un pozo cuántico resulta en una heteroestructura formada a partir de dos materiales de dos dimensiones diferentes, y un compuesto como ese se puede utilizar para investigar la interacción de los electrones y los huecos de electrones.
Cuando un electrón es excitado a un estado de energía más alto, se forma un hueco, una cuasi-partícula que se comporta como si se tratara de un electrón con carga positiva en lugar de negativa. Nótese que los huecos de electrones no son lo mismo que las anti-partículas físicamente reales, conocidas como positrones.
La superfluidez
En el caso de las heteroestructuras grafeno-GaAs de las que habla el artículo, las mediciones del arrastre de Coulomb son consistentes con fuertes interacciones entre las capas de material, y la fuerza electrostática de atracción entre los electrones y los huecos en los dispositivos de estado sólido predice que dará como resultado una superfluidez y una condensación de Bose-Einstein.
En otras palabras, la fuerte interacción entre capas de material conduce a efectos cuánticos que se manifiestan en grandes conjuntos de electrones y huecos confinados dentro de los dispositivos de tamaño micrométrico.
"Demostramos que estos efectos pueden ocurrir cuando los electrones están confinados en un pozo fino hecho de arseniuro de galio, con agujeros confinados en grafeno monocapa o bicapa", explica Polini. "Los electrones y los huecos, separados por unas pocas decenas de nanómetros, se atraen entre sí a través de una de las fuerzas más fuertes de la naturaleza: la fuerza eléctrica. A temperaturas suficientemente bajas, nuestros experimentos revelan la posible aparición de una fase de superfluido, en la que las corrientes opuestas fluyen en los dos sistemas bidimensionales separados".
Pellegrini continúa la explicación: "Estas corrientes fluyen con disipación mínima, y pueden hacer posibles varios dispositivos electrónicos coherentes, que disipen poca energía". Ferrari añade: "Este es otro ejemplo de resultados de vanguardia obtenidos a partir de la unión del grafeno y otras estructuras bidimensionales, que es precisamente el objetivo global del Graphene Flagship".
Electrónica a ultra-baja temperatura
La superfluidez y la condensación Bose-Einstein son fenómenos que se producen a temperatura ultra-baja, por lo que los efectos descritos aquí no se producen en los dispositivos electrónicos cotidianos. Sin embargo, hay muchas aplicaciones que requieren el uso de electrónica enfriada criogénicamente, que podría aprovechar el anómalo arrastre de Coulomb en materiales bidimensionales a baja temperatura.
Ejemplos de tales aplicaciones incluyen la computación cuántica y de alto rendimiento, la espectroscopía, los sensores magnéticos y de infrarrojos, y la conversión analógico-digital. El nuevo descubrimiento podría beneficiar a esas y otras áreas.
En el caso de las heteroestructuras grafeno-GaAs de las que habla el artículo, las mediciones del arrastre de Coulomb son consistentes con fuertes interacciones entre las capas de material, y la fuerza electrostática de atracción entre los electrones y los huecos en los dispositivos de estado sólido predice que dará como resultado una superfluidez y una condensación de Bose-Einstein.
En otras palabras, la fuerte interacción entre capas de material conduce a efectos cuánticos que se manifiestan en grandes conjuntos de electrones y huecos confinados dentro de los dispositivos de tamaño micrométrico.
"Demostramos que estos efectos pueden ocurrir cuando los electrones están confinados en un pozo fino hecho de arseniuro de galio, con agujeros confinados en grafeno monocapa o bicapa", explica Polini. "Los electrones y los huecos, separados por unas pocas decenas de nanómetros, se atraen entre sí a través de una de las fuerzas más fuertes de la naturaleza: la fuerza eléctrica. A temperaturas suficientemente bajas, nuestros experimentos revelan la posible aparición de una fase de superfluido, en la que las corrientes opuestas fluyen en los dos sistemas bidimensionales separados".
Pellegrini continúa la explicación: "Estas corrientes fluyen con disipación mínima, y pueden hacer posibles varios dispositivos electrónicos coherentes, que disipen poca energía". Ferrari añade: "Este es otro ejemplo de resultados de vanguardia obtenidos a partir de la unión del grafeno y otras estructuras bidimensionales, que es precisamente el objetivo global del Graphene Flagship".
Electrónica a ultra-baja temperatura
La superfluidez y la condensación Bose-Einstein son fenómenos que se producen a temperatura ultra-baja, por lo que los efectos descritos aquí no se producen en los dispositivos electrónicos cotidianos. Sin embargo, hay muchas aplicaciones que requieren el uso de electrónica enfriada criogénicamente, que podría aprovechar el anómalo arrastre de Coulomb en materiales bidimensionales a baja temperatura.
Ejemplos de tales aplicaciones incluyen la computación cuántica y de alto rendimiento, la espectroscopía, los sensores magnéticos y de infrarrojos, y la conversión analógico-digital. El nuevo descubrimiento podría beneficiar a esas y otras áreas.
Referencia bibliográfica:
A. Gamucci, D. Spirito, M. Carrega, B. Karmakar, A. Lombardo, M. Bruna, L. N. Pfeiffer, K. W. West, A. C. Ferrari, M. Polini y V. Pellegrini: Anomalous low-temperature Coulomb drag in graphene-GaAs heterostructures. Nature Communications (2014). doi:10.1038/ncomms6824
A. Gamucci, D. Spirito, M. Carrega, B. Karmakar, A. Lombardo, M. Bruna, L. N. Pfeiffer, K. W. West, A. C. Ferrari, M. Polini y V. Pellegrini: Anomalous low-temperature Coulomb drag in graphene-GaAs heterostructures. Nature Communications (2014). doi:10.1038/ncomms6824