Primera aplicación práctica del flujo de electrones viscosos logra fotoconductividad de terahercios en grafeno

9 de noviembre de 2024 característica

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por Ingrid Fadelli, Tech Xplore

Cuando la luz golpea la superficie de ciertos materiales, en particular aquellos que presentan una propiedad conocida como fotoresistencia, puede inducir cambios en su conductividad eléctrica. El grafeno se encuentra entre estos materiales, ya que la luz incidente puede excitar electrones en él, afectando su fotoconductividad.

Investigadores de la Universidad Nacional de Singapur informan una desviación de los comportamientos estándar de la fotoresistencia en el grafeno metálico dopado. Su artículo, publicado en Nature Nanotechnology, muestra que cuando se expone a radiación terahertz continua, los electrones de Dirac en este material pueden ser térmicamente desacoplados de la red, lo que promueve su transporte hidrodinámico.

"Nuestra investigación ha surgido del creciente reconocimiento de que los modelos tradicionales del comportamiento de los electrones no capturan completamente las propiedades de ciertos materiales avanzados, particularmente en el mundo cuántico", dijo Denis Bandurin, Profesor Asistente en NUS, líder del laboratorio experimental de física de la materia condensada y autor principal del artículo, a Tech Xplore.

"Durante mucho tiempo, hemos tratado a los electrones como partículas independientes, semejantes a los átomos en un gas, lo que hace que el modelo sea más simple. Sin embargo, muchos fenómenos observados en materiales cuánticos no podían ser explicados. Estudios recientes, sin embargo, sugirieron que bajo ciertas condiciones, los electrones en estos materiales se comportan colectivamente, como un fluido, es decir, interactúan y 'fluyen' juntos".

El objetivo clave del estudio de Bandurin y sus colegas fue explorar aún más el comportamiento tipo fluido de los electrones en el grafeno reportado en estudios recientes. Específicamente, el equipo intentó determinar si el flujo viscoso de electrones observado en el grafeno podría contribuir a resolver un desafío de larga data en el campo de la optoelectrónica, a saber, la detección de radiación terahertz.

"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 tipo fluido de los electrones podría mejorar la respuesta del grafeno a la radiación THz, creando potencialmente un detector práctico de alta velocidad para esta desafiante gama del espectro electromagnético".

Para explorar los efectos de las ondas THz en la conductividad eléctrica del grafeno, el equipo primero preparó muestras de grafeno de una sola capa 'dopadas' con electrones adicionales, lo que las hacía comportarse más como metales. Para lograr una detección eficiente en estas muestras, el equipo tuvo que procesarlas aún más, ya que la conductividad eléctrica del grafeno no es sensible al calentamiento a través de la radiación THz.

"Para abordar este problema, diseñamos nuestras muestras para que tengan una constricción estrecha que permita que los efectos viscosos cambien la conductividad de las muestras 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 mientras interactuaba con las ondas THz".

Interesantemente, los investigadores observaron que cuando las muestras de grafeno metálico dopado estaban bajo la influencia de luz THz, la viscosidad de sus electrones tipo fluido disminuyó. Esto permitió que los electrones fluyeran a través del material con más facilidad (es decir, con menos resistencia).

Bandurin y sus colegas capturaron este efecto observado en unos recién desarrollados bolómetros de electrones viscosos. 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 viscoso de electrones, un concepto visto anteriormente como 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 utilizar la tecnología THz en aplicaciones del mundo real, algo que ha sido difícil de lograr".

El reciente estudio realizado por este equipo de investigadores podría tener importantes implicaciones para el desarrollo de diversas tecnologías THz ultrasónicas y altamente eficientes. Por ejemplo, podría informar sobre el desarrollo de tecnologías 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. "Al mejorar nuestra capacidad para detectar luz THz, también podríamos mejorar procesos industriales, como el control de calidad y la imagen médica, donde esta detección no destructiva ha mostrado promesas", dijo Bandurin. "Mirando hacia adelante, nuestro objetivo principal será refinar estos bolómetros de electrones viscosos y hacerlos tan efectivos y prácticos como sea posible para un uso generalizado. Estamos explorando formas de optimizar su sensibilidad y durabilidad, asegurando que puedan operar eficientemente en una variedad de condiciones y aplicaciones". En sus próximos estudios, Bandurin y sus colegas también planean estudiar otros materiales cuánticos que exhiben comportamientos de electrones similares a líquidos. Esto les permitirá determinar si, en comparación con el grafeno, estos materiales muestran respuestas similares o quizás aún más acentuadas a la radiación THz. "Comprender cómo aprovechar este comportamiento colectivo de electrones 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 allá", añadió Bandurin. Para más información: M. Kravtsov et al, Viscous terahertz photoconductivity of hydrodynamic electrons in graphene, Nature Nanotechnology (2024). DOI: 10.1038/s4156-024-01795-y © 2024 Science X Network