Las partículas cuánticas ultrarrelativistas del grafeno se mueven a velocidades cercanas a las de la luz. Un equipo internacional ha logrado por primera vez detener su movimiento con un ‘muro’ impenetrable de ‘ladrillos’ atómicos
¿Cómo se detiene lo imparable? Un equipo internacional de científicos ha conseguido resolver este quimérico desafío empleando ladrillos atómicos para construir muros capaces de detener los electrones ultrarrelativistas del grafeno.
El trabajo aparece publicado esta semana en la revista Advanced Materials por investigadores de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM), la Université Grenoble Alpes (Francia), el Laboratorio Ibérico Internacional de Nanotecnología (Portugal) y la Universidad de Aalto (Finlanda). Concretamente, los autores muestran cómo es posible manipular de forma colectiva un gran número de átomos de hidrógeno para crear paredes impenetrables al paso de los electrones del grafeno.
Imagen esquemática de la creación de paredes impenetrables para los electrones del grafeno, mediante la manipulación de átomos de hidrógeno con la punta del microscopio de efecto túnel / José Lado-Aalto University
Los experimentos, realizados en la UAM con un microscopio de efecto túnel, han permitido usar dichas paredes para construir, con precisión subnanométrica, nanoestructuras de grafeno de formas arbitrariamente complejas, con dimensiones que van desde los dos nanómetros hasta una micra.
El método desarrollado permite borrar y reconstruir las nanoestructuras a voluntad, y se puede implementar en diferentes tipos de grafeno. Los experimentos, apoyados por cálculos teóricos, demuestran que las nanoestructuras creadas son capaces de confinar perfectamente los electrones del grafeno.
“De este modo, hemos conseguido superar el codiciado reto de abrir un gap electrónico en grafeno con un valor modulable, ya que este viene definido por el tamaño y forma de la nanoestructura creada”, explican los autores.
“El método -agregan- abre una plétora de nuevas y excitantes posibilidades, ya que las nanoestructuras creadas se comportan como puntos cuánticos de grafeno que pueden ser acoplados de forma selectiva, lo que permitiría usarlos en simuladores cuánticos para profundizar en nuestro entendimiento de la materia cuántica”.
Electrones ultrarrelativistas
Además de la fascinación que produce poder experimentar con partículas cuánticas ultrarrelativistas, este hallazgo tiene una relevancia aplicada fundamental. Poder construir muros capaces de confinar a los electrones del grafeno permite dotar a este material de un gap electrónico modulable, algo clave para posibilitar su integración en los dispositivos electrónicos reales.
Los electrones son partículas subatómicas responsables del transporte de la electricidad. Cuando circulan por grafeno, los electrones se comportan como partículas cuánticas ultrarrelativistas. Esto es debido a la peculiar estructura de panal de abeja en la que se ordenan los átomos de carbono de los que está compuesto este material puramente bidimensional.
Imagen de microscopía de efecto túnel mostrando un punto cuántico de grafeno creado con paredes impenetrables hechas de átomos de hidrógeno. Tamaño de la imagen: 30x30nm2 / UAM
Por tanto, las reglas de juego que rigen el comportamiento de los electrones en grafeno son muy especiales, ya que han de obedecer simultáneamente las leyes de la mecánica cuántica (necesarias para objetos de tamaños muy reducidos) y las de la física ultrarrelativista (necesarias para objetos de masa despreciable moviéndose a velocidades cercanas a las de la luz).
Esto da lugar, por ejemplo, a lo que se conoce como paradoja de Klein, que implica que dichos electrones sólo pueden detenerse mediante paredes atómicamente abruptas. De no ser así, los electrones incidiendo en ciertas direcciones atravesarán estas paredes independientemente de su grosor o altura.
Esta cualidad única hace que los electrones puedan circular libremente por el grafeno, sin ser apenas afectados por las diversas impurezas que en él puedan existir, lo que otorga a este material cualidades excepcionales para su uso en dispositivos electrónicos.
Sin embargo, tanta libertad de movimiento tiene un precio, ya que a su vez esto hace que sea extremadamente complejo contener el movimiento de dichos electrones, lo que había impedido hasta ahora emplear el confinamiento cuántico en estructuras del tamaño de unos pocos nanómetros para abrir de forma selectiva el tan deseado gap electrónico.
Referencia bibliográfica:
Cortés‐del Río, E., Mallet, P., González‐Herrero, H., Lado, J.L., Fernández‐Rossier, J., Gómez‐Rodríguez, J.M., Veuillen, J.-Y., Brihuega, I. 2020. Quantum Confinement of Dirac Quasiparticles in Graphene Patterned with Sub‐Nanometer Precision. Advanced Materials https://doi.org/10.1002/adma.202001119
