Grafeno: todo bajo control: un equipo de investigación demuestra un mecanismo de control para material cuántico

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El profesor Dr. Dmitry Turchinovich de la Universidad de Bielefeld es uno de los dos líderes del estudio. Investiga cómo se puede utilizar el grafeno en futuras aplicaciones de ingeniería eléctrica. Foto: Universidad de Bielefeld / M.-D. Müller CRÉDITO Foto: Universidad de Bielefeld / M.-D. Müller

Abstracto:
¿Cómo se pueden transferir o procesar grandes cantidades de datos lo más rápido posible? Una clave para esto podría ser el grafeno. El material ultrafino tiene sólo una capa atómica de espesor y los electrones que contiene tienen propiedades muy especiales debido a los efectos cuánticos. Por tanto, podría resultar muy adecuado para su uso en componentes electrónicos de alto rendimiento. Sin embargo, hasta el momento se desconoce cómo controlar adecuadamente determinadas propiedades del grafeno. Un nuevo estudio realizado por un equipo de científicos de Bielefeld y Berlín, junto con investigadores de otros institutos de investigación de Alemania y España, está cambiando esta situación. Los hallazgos del equipo se publicaron en la revista Science Advances.

Grafeno: todo bajo control: el equipo de investigación demuestra un mecanismo de control para el material cuántico

Bielefeld, Alemania | Publicado el 9 de abril de 2021

El grafeno, que consta de átomos de carbono, es un material de solo un átomo de espesor donde los átomos están dispuestos en una red hexagonal. Esta disposición de los átomos es la que da como resultado la propiedad única del grafeno: los electrones de este material se mueven como si no tuvieran masa. Este comportamiento "sin masa" de los electrones conduce a una conductividad eléctrica muy alta en el grafeno y, lo que es más importante, esta propiedad se mantiene a temperatura ambiente y en condiciones ambientales. Por tanto, el grafeno es potencialmente muy interesante para aplicaciones de la electrónica moderna.

Recientemente se descubrió que la alta conductividad electrónica y el comportamiento "sin masa" de sus electrones permite al grafeno alterar los componentes de frecuencia de las corrientes eléctricas que lo atraviesan. Esta propiedad depende en gran medida de qué tan fuerte sea esta corriente. En la electrónica moderna, dicha no linealidad comprende una de las funcionalidades más básicas para la conmutación y el procesamiento de señales eléctricas. Lo que hace que el grafeno sea único es que su no linealidad es, con diferencia, el más fuerte de todos los materiales electrónicos. Además, funciona muy bien para frecuencias electrónicas excepcionalmente altas, extendiéndose hasta el rango tecnológicamente importante de terahercios (THz), donde fallan la mayoría de los materiales electrónicos convencionales.

En su nuevo estudio, el equipo de investigadores de Alemania y España demostró que la no linealidad del grafeno se puede controlar de manera muy eficiente aplicando voltajes eléctricos comparativamente modestos al material. Para ello, los investigadores fabricaron un dispositivo parecido a un transistor, en el que se podía aplicar una tensión de control al grafeno a través de un conjunto de contactos eléctricos. Luego, con ayuda del dispositivo se transmitieron señales THz de frecuencia ultraalta: luego se analizó la transmisión y la posterior transformación de estas señales en relación con el voltaje aplicado. Los investigadores descubrieron que el grafeno se vuelve casi perfectamente transparente a un determinado voltaje: su normalmente fuerte respuesta no lineal casi desaparece. Al aumentar o disminuir ligeramente el voltaje desde este valor crítico, el grafeno se puede convertir en un material fuertemente no lineal, alterando significativamente la fuerza y los componentes de frecuencia de las señales electrónicas de THz transmitidas y remitidas.

"Este es un importante paso hacia la implementación del grafeno en aplicaciones de procesamiento y modulación de señales eléctricas", afirma el profesor Dmitry Turchinovich, físico de la Universidad de Bielefeld y uno de los directores de este estudio. "Antes ya habíamos demostrado que el grafeno es, con diferencia, el material funcional más no lineal que conocemos. También entendemos la física detrás de la no linealidad, que ahora se conoce como imagen termodinámica del transporte ultrarrápido de electrones en el grafeno. Pero hasta ahora no sabíamos cómo "Para controlar esta no linealidad, que era el eslabón perdido con respecto al uso del grafeno en las tecnologías cotidianas".

"Al aplicar el voltaje de control al grafeno, pudimos alterar la cantidad de electrones en el material que pueden moverse libremente cuando se le aplica la señal eléctrica", explica el Dr. Hassan A. Hafez, miembro del equipo del Profesor Dr. Turchinovich. laboratorio de Bielefeld y uno de los autores principales del estudio. "Por un lado, cuantos más electrones puedan moverse en respuesta al campo eléctrico aplicado, más fuertes serán las corrientes, lo que debería mejorar la no linealidad. Pero, por otro lado, cuantos más electrones libres estén disponibles, más fuerte será la interacción entre ellos. y esto suprime la no linealidad. Aquí demostramos, tanto experimental como teóricamente, que aplicando un voltaje externo relativamente débil de solo unos pocos voltios, se pueden crear las condiciones óptimas para la no linealidad de THz más fuerte en el grafeno".

"Con este trabajo, hemos alcanzado un hito importante en el camino hacia el uso del grafeno como un material cuántico funcional no lineal extremadamente eficiente en dispositivos como convertidores, mezcladores y moduladores de frecuencia THz", afirma el profesor Dr. Michael Gensch del Instituto de Óptica. Sensor Systems del Centro Aeroespacial Alemán (DLR) y la Universidad Técnica de Berlín, que es el otro responsable de este estudio. "Esto es extremadamente relevante porque el grafeno es perfectamente compatible con la tecnología electrónica de semiconductores de frecuencia ultraalta existente, como CMOS o Bi-CMOS. Por lo tanto, ahora es posible imaginar dispositivos híbridos en los que la señal eléctrica inicial se genere a una frecuencia más baja utilizando la tecnología de semiconductores existente. pero luego se puede convertir de manera muy eficiente a frecuencias de THz mucho más altas en grafeno, todo de una manera totalmente controlable y predecible".

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Investigadores de la Universidad de Bielefeld, el Instituto de Sistemas de Sensores Ópticos del DLR, la Universidad Técnica de Berlín, el Centro Helmholtz Dresden-Rossendorf y el Instituto Max Planck de Investigación de Polímeros en Alemania, así como el Instituto Catalán de Nanociencia y En este estudio participaron la nanotecnología (ICN2) y el Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) de España.

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Contactos:
Profesor Dr. Dmitry Turchinovich, Universidad de Bielefeld
+49 (521) 106-5468

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