Primera aplicación práctica del flujo de electrones viscosos

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Cuando la luz incide en la superficie de algunos materiales, concretamente los que presentan una propiedad conocida como fotorresistencia, puede inducir cambios en su conductividad eléctrica.

El grafeno se encuentra entre estos materiales, ya que la luz incidente puede excitar los electrones que se encuentran en su interior, lo que afecta a su fotoconductividad.

Investigadores de la Universidad Nacional de Singapur informan de una desviación de los comportamientos fotorresistivos estándar en el grafeno metálico dopado.

Su artículo muestra que cuando se exponen a la radiación de onda continua de terahercios (THz), los electrones de Dirac de este material pueden desacoplarse térmicamente de la red, lo que provoca su transporte hidrodinámico.

“Nuestra investigación ha surgido del creciente reconocimiento de que los modelos tradicionales de comportamiento de los electrones no captan plenamente las propiedades de ciertos materiales avanzados, en particular en el mundo cuántico”, dijo Denis Bandurin, profesor adjunto de la NUS, director del laboratorio de física de la materia condensada experimental y autor principal del artículo.

“Durante mucho tiempo, hemos tratado a los electrones como partículas independientes, parecidas a los átomos en un gas, lo que simplifica el modelo.

Sin embargo, muchos fenómenos observados en los materiales cuánticos no se podían explicar.

Sin embargo, estudios recientes sugerían que, en determinadas condiciones, los electrones de estos materiales se comportan colectivamente, como un fluido, lo que significa que interactúan y ‘fluyen’ juntos“.

El objetivo principal del estudio de Bandurin y sus colegas era explorar más a fondo el comportamiento fluido de los electrones del grafeno descrito en estudios recientes.

En concreto, el equipo intentó determinar si el flujo viscoso de electrones observado en el grafeno podría ayudar a resolver un desafío de larga data en el campo de la optoelectrónica, a saber, el de detectar la radiación THz.

“Las ondas THz, que se encuentran entre las microondas y el infrarrojo en el espectro, son difíciles de detectar pero tienen enormes aplicaciones potenciales“, dijo Bandurin.

“Queríamos ver si el comportamiento fluido de los electrones podría mejorar la respuesta del grafeno a la radiación THz, creando potencialmente un detector práctico y de alta velocidad para este desafiante rango del espectro electromagnético”.

Para explorar los efectos de las ondas THz en la conductividad eléctrica del grafeno, el equipo preparó primero muestras de grafeno de una sola capa “dopadas” con electrones adicionales, lo que hizo que se comportaran más como metales.

Para lograr una detección eficiente en estas muestras, el equipo tuvo que procesarlas más, ya que la conductividad eléctrica del grafeno no es sensible al calentamiento por radiación THz.

“Para abordar este problema, diseñamos nuestras muestras para que tuvieran una constricción estrecha que permite que los efectos viscosos cambien la conductividad de las muestras que fueron expuestas a la radiación THz“, explicó Mikhail Kravtsov, el primer autor del artículo.

“Usando herramientas de medición de alta precisión, pudimos monitorear los cambios en el movimiento de electrones y la resistencia eléctrica dentro del grafeno a medida que interactuaba con las ondas THz”.

Curiosamente, los investigadores observaron que cuando las muestras de grafeno metálico dopado estaban bajo la influencia de la luz THz, la viscosidad de sus electrones similares a fluidos disminuía.

Esto permitía que los electrones fluyeran a través del material con mayor facilidad (es decir, con menos resistencia).

Bandurin y sus colegas capturaron este efecto observado en un nuevo bolómetro de electrones viscosos desarrollado recientemente.

Estos dispositivos pueden prometer una detección de cambios en la conductividad eléctrica a velocidades extremadamente altas.

“El logro más emocionante de nuestro estudio fue desarrollar la primera aplicación práctica del flujo de electrones viscosos, un concepto que antes se consideraba puramente teórico“, dijo Bandurin.

“Al usar las ondas THz para alterar la viscosidad de los electrones en el grafeno, creamos con éxito un dispositivo que detecta la radiación THz con alta sensibilidad y velocidad.

Este es un logro significativo porque abre nuevas posibilidades para usar la tecnología THz en aplicaciones del mundo real, algo que ha sido un desafío lograr”.

El estudio de este equipo de investigadores podría tener implicaciones importantes para el desarrollo de varias tecnologías THz ultrarrápidas y de alto rendimiento.

Por ejemplo, para el desarrollo de la tecnología de comunicación inalámbrica de próxima generación (6G y más allá), sistemas de navegación para vehículos autónomos y herramientas para capturar imágenes astronómicas de alta resolución.

“Si mejoramos nuestra capacidad para detectar la luz en THz, también podremos mejorar los procesos industriales, como el control de calidad y la obtención de imágenes médicas, en los que esta detección no destructiva ha demostrado ser prometedora“, afirmó Bandurin.

“De cara al futuro, nuestro objetivo principal será perfeccionar estos bolómetros de electrones viscosos y hacerlos lo más efectivos y prácticos posible para su uso generalizado.

Estamos explorando formas de optimizar su sensibilidad y durabilidad, garantizando que puedan funcionar de manera eficiente en una variedad de condiciones y aplicaciones”.

En sus próximos estudios, Bandurin y sus colegas también planean estudiar otros materiales cuánticos que exhiben comportamientos electrónicos similares a los de los fluidos.

Esto les permitirá determinar si, en comparación con el grafeno, estos materiales exhiben respuestas similares o incluso más acentuadas a la radiación de THz.

“Comprender cómo aprovechar este comportamiento electrónico colectivo de manera más amplia podría allanar el camino para dispositivos aún más avanzados en optoelectrónica y tecnología cuántica, lo que podría conducir a avances en transmisión de datos, imágenes y más“, agregó Bandurin.

Fuente: Nature nanotechnology