Un mapa de calor de la ubicación de los electrones en el grafeno muestra que a la temperatura más baja (panel izquierdo), es más probable que los electrones choquen con las impurezas (círculos), y relativamente menos atraviesan el canal entre las impurezas. A temperaturas más altas (panel derecho), el flujo de electrones cambia a ser similar a un fluido. Menos quedan atrapados en las impurezas y más fluyen a través de los canales. Crédito: Universidad de Wisconsin-Madison
Físicos de la Universidad de Wisconsin-Madison han medido directamente el flujo de electrones similar a un fluido en el grafeno a una resolución nanométrica por primera vez. Los resultados aparecen en el diario. Ciencia hoy.
El grafeno, una lámina de carbono del espesor de un átomo dispuesta en un patrón de panal, es un conductor eléctrico especialmente puro, lo que lo convierte en un material ideal para estudiar el flujo de electrones con muy baja resistencia. Aquí, los investigadores agregan intencionalmente impurezas a distancias conocidas y descubren que el flujo de electrones cambia de gas a fluido a medida que aumenta la temperatura.
«Todos los materiales conductores contienen impurezas e imperfecciones que bloquean el flujo de electrones, lo que provoca resistencia. Históricamente, las personas han adoptado un enfoque de baja resolución para identificar de dónde proviene la resistencia», dice Zach Krebs, estudiante graduado de física en UW-Madison y co- autor principal del estudio. «En este estudio, imaginamos cómo fluye la carga alrededor de una impureza y vemos cómo esa impureza bloquea la corriente y causa resistencia, algo que no se había hecho antes para distinguir el flujo de electrones similar al gas y fluido».
Los resultados tienen aplicaciones en el desarrollo de nuevos materiales de baja resistencia, donde el transporte eléctrico sería más eficiente.
El estudio utilizó una técnica conocida como potenciometría de tunelización de barrido (STP) y el material grafeno 2D. Los investigadores introdujeron intencionalmente obstáculos en el grafeno, espaciados a distancias controladas, y luego aplicaron una corriente a través de la hoja. Usando STP, midieron el voltaje con resolución nanométrica en todos los puntos del grafeno, produciendo un mapa 2D del patrón de flujo de electrones (mayor voltaje = más electrones). Independientemente del espacio entre obstáculos, la caída de voltaje a través del canal fue mucho menor a una temperatura más alta (77 Kelvin) frente a una temperatura más baja (4 Kelvin), lo que indica que pasaban más electrones (menor resistencia).
«Hicimos un análisis cuantitativo [of the voltage map] y descubrió que a mayor temperatura, la resistencia es mucho menor en el canal. Los electrones fluían más libremente y como un fluido», dice Krebs. «El grafeno es tan limpio que estamos obligando a los electrones a interactuar entre sí antes de que interactúen con cualquier otra cosa, y eso es crucial para lograr que se comporten como un líquido.»
La analogía de la roca y el arroyo
A temperaturas cercanas al cero absoluto, los electrones del grafeno se comportan como un gas: se difunden en todas las direcciones y es más probable que choquen contra obstáculos que interactúen entre sí. La resistencia es mayor y el flujo de electrones es relativamente ineficiente.
A temperaturas más altas, 77 K, o menos 196 C, el comportamiento fluido del flujo de electrones significa que interactúan entre sí más de lo que golpean obstáculos, fluyendo como el agua entre dos rocas en medio de una corriente. Es como si los electrones estuvieran comunicándose información sobre el obstáculo entre sí y desviándose alrededor de las rocas. La resistencia es menor y el flujo de electrones es más eficiente.
El ex estudiante graduado de UW-Madison, Wyatt Behn, es coautor de este estudio, realizado en el grupo del profesor de física Victor Brar.
Más información:
Zachary J. Krebs et al, Imágenes de la ruptura de presas electrostáticas en grafeno para fluidos balísticos y viscosos, Ciencia (2023). DOI: 10.1126/ciencia.abm6073
Citación: Navegación tranquila para electrones en grafeno: medición del flujo similar a un fluido a resolución nanométrica (16 de febrero de 2023) consultado el 16 de febrero de 2023 en https://phys.org/news/2023-02-smooth-electrons-graphene-fluid-like -nanómetro.html
Este documento está sujeto a derechos de autor. Aparte de cualquier trato justo con fines de estudio o investigación privados, ninguna parte puede reproducirse sin el permiso por escrito. El contenido se proporciona únicamente con fines informativos.
