02.03.2021 - Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

Nuevas habilidades del grafeno: vibraciones de red sintonizables

Se trata de un verdadero avance en el campo de la fonética

La innovación tecnológica del siglo pasado se basó principalmente en el control de los electrones o los fotones. Ahora, en el emergente campo de investigación de la fonónica, los fonones o vibraciones de la red cristalina atraen la atención. Un equipo de la Universidad Libre de Berlín y del Centro Helmholtz de Berlín ha mostrado un cristal fonónico basado en el grafeno cuya frecuencia de resonancia puede ajustarse en un amplio rango y ha utilizado un microscopio de iones de helio para producir dicho cristal. Se trata de un verdadero avance en el campo de la fonónica, que ahora se publica en Nano Letters.

Sin la electrónica y la fotónica, no habría ordenadores, teléfonos inteligentes, sensores ni tecnologías de la información y la comunicación. En los próximos años, el nuevo campo de la fonónica podría ampliar aún más estas opciones. Este campo se ocupa de entender y controlar las vibraciones de la red (fonones) en los sólidos. Sin embargo, para realizar dispositivos fonónicos, las vibraciones de la red deben controlarse con la misma precisión que la que se consigue habitualmente en el caso de los electrones o los fotones.

Cristales fonónicos

El elemento clave de un dispositivo de este tipo es un cristal fonónico, una estructura fabricada artificialmente en la que propiedades como la rigidez, la masa o la tensión mecánica varían periódicamente. Los dispositivos fonónicos se utilizan como guías de ondas acústicas, lentes de fonones y escudos antivibratorios, y en el futuro podrían realizar Qubits mecánicos. Sin embargo, hasta ahora, estos sistemas funcionaban a frecuencias de vibración fijas. No era posible cambiar sus modos de vibración de forma controlada.

Patrón periódico de agujeros en el grafeno

Ahora, por primera vez, un equipo de la Universidad Libre de Berlín y el HZB ha demostrado este control. Utilizaron grafeno, una forma de carbono en la que los átomos de carbono se interconectan bidimensionalmente para formar una estructura plana en forma de panal. Utilizando un haz de iones de helio, el equipo pudo cortar un patrón periódico de agujeros en el grafeno. Este método está disponible en el CoreLab CCMS (Correlative Microscopy and Spectroscopy). "Tuvimos que optimizar mucho el proceso para cortar un patrón regular de agujeros en la superficie del grafeno sin tocar los agujeros vecinos", explica la Dra. Katja Höflich, jefa de grupo en el Ferdinand-Braun-Institut de Berlín y científica invitada en el HZB.

Banda prohibida y sintonizabilidad

Jan N. Kirchhof, primer autor del estudio que ahora se publica en Nano Letters, calculó las propiedades vibracionales de este cristal fonónico. Sus simulaciones muestran que en un determinado rango de frecuencias no se permiten modos vibracionales. Esta región, análoga a la estructura de bandas electrónicas de los sólidos, constituye una brecha de banda mecánica. Esta brecha de banda puede utilizarse para localizar modos individuales y protegerlos del entorno. Lo que es especial aquí: "La simulación demuestra que podemos sintonizar el sistema fonónico de forma rápida y selectiva, desde 50 megahercios hasta 217 megahercios, mediante la presión mecánica aplicada, inducida por un voltaje de puerta", afirma Jan Kirchhof.

Futuras aplicaciones

"Esperamos que nuestros resultados hagan avanzar el campo de la fonónica. Esperamos descubrir algunos fundamentos de la física y desarrollar tecnologías que puedan conducir a su aplicación, por ejemplo, en fotosensores ultrasensibles o incluso en tecnologías cuánticas", explica el profesor Kirill Bolotin, jefe del grupo de trabajo de la FU. Los primeros experimentos con los nuevos cristales fonónicos de HZB ya están en marcha en su grupo.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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