Electrones confinados en una cavidad circular en grafeno

Los electrones se comportan como partículas y como ondas. Confinar electrones en una cavidad nanométrica permite su manipulación efectiva para muchas aplicaciones en optoelectrónica cuántica. Se publica en Science una técnica que lo logra. Se inspira en las ondas acústicas de las catedrales. Bajo una cúpula puedes susurrar en un extremo de la sala y que te oigan en el extremo opuesto. Un microscopio de efecto túnel colocado sobre una hoja de grafeno en un sustrato de nitruro de boro hexagonal (h-BN) actúa como caja de resonancia para los electrones en el grafeno que quedan confinados en una escala nanométrica.

La electrónica en grafeno inspirada en la óptica da un paso de gigante. El confinamiento resonante de los electrones en nanocavidades dará muchas sorpresas en los próximos años en óptica electrónica cuántica. El artículo es Yue Zhao et al., “Creating and probing electron whispering-gallery modes in graphene,” Science 348: 672-675, 8 May 2015, doi:10.1126/science.aaa7469.

Confinar electrones es mucho más difícil que confinar fotones porque su longitud de coherencia en los sólidos es muy pequeña. La cavidad se tiene que fabricar en la nanoescala. Los resonadores en modo susurro (whispering-gallery mode (WGM) resonators) son muy usados en óptica y en acústica; se ha propuesto su uso para confinar electrones en moléculas orgánicas, son una herramienta muy útil en óptica electrónica. El nuevo trabajo propone un resonador en modo susurro para electrones (electron WGM resonator) basado en grafeno.

Gracias al grafeno se abren muchas puertas no exploradas hasta ahora. En grafeno las cuasipartículas de electrones se comportan como fermiones de Dirac sin masa y muestran la llamada paradoja de Klein: la transmisión perfecta sin reflexiones para incidencia normal (como el efecto túnel cuántico pero con probabilidad de transmisión igual a la unidad, o probabilidad de reflexión exactamente cero).

Al aplicar la punta del microscopio de efecto túnel se modula el nivel de Fermi y las cuasipartículas se comportan como si estuvieran confinadas en un potencial con simetría circular. Cuando la incidencia de las cuasipartículas en este potencial ocurre en una dirección oblicua respecto a la normal se produce una dispersión de Klein incompleta. Gracias a ello el resonador WGM produce el confinamiento de las cuasipartículas, incluso para modos de gran momento angular.

Lo forma del pozo de potencial que confina a los electrones (en sentido estricto las cuasipartículas en el grafeno) se puede modular variando la distancia y la diferencia de potencial en la punta del microscopio de efecto túnel que se aplica sobre el grafeno. Gracias a ello se puede conseguir una gran variedad de modos electrónicos confinados, desde un confinamiento débil (momento angular m=5) hasta un confinamiento fuerte (m=13).

El microscopio de efecto túnel, además de para crear el pozo de potencial, actúa como unión pn y permite probar/estudiar la forma del potencial y los modos confinados. Por supuesto, el artículo en Science viene acompañado de simulaciones por ordenador de la ecuación de Dirac en el grafeno que han sido confrontadas con los resultados experimentales para su validación.

En resumen, un trabajo muy interesante en resonadores sintonizables para electrones en grafeno que promete múltiples aplicaciones en óptica electrónica (sobre todo en su versión cuántica). La manipulación de los electrones en grafeno con alta precisión da un paso de gigante que promete multitud de aplicaciones. El grafeno se resiste a dejar el trono de los materiales planos con alto potencial en nanooptoelectrónica.

Fuente

Acerca de A. Arrieta

Físico egresado de la Universidad de Córdoba con sede en la Ciudad de Montería. Magister en Física de la Universidad Nacional de Colombia con sede en la ciudad de Medellín. Docente del Instituto Tecnológico Metropolitano (ITM) y docente adscrito a la Secretaría de Educación de Medellín. "Amarrar el conocimiento no te hace más sabio, en cambio compartirlo te hace más útil a la sociedad, trascender y no morir para siempre"
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