12.04.2021 - Universität Bielefeld

Grafeno: todo bajo control

Un equipo de investigación demuestra un mecanismo de control para el material cuántico

¿Cómo se pueden transferir o procesar grandes cantidades de datos con la mayor rapidez posible? Una de las claves podría ser el grafeno. Este material ultrafino sólo tiene una capa atómica de espesor y los electrones que contiene tienen propiedades muy especiales debido a los efectos cuánticos. Por tanto, podría ser muy adecuado para su uso en componentes electrónicos de alto rendimiento. Sin embargo, hasta ahora se desconocía cómo controlar adecuadamente ciertas propiedades del grafeno. Un nuevo estudio realizado por un equipo de científicos de Bielefeld y Berlín, junto con investigadores de otros institutos de Alemania y España, está cambiando esta situación.

Formado por átomos de carbono, el grafeno es un material de un solo átomo de grosor en el que los átomos están dispuestos en una red hexagonal. Esta disposición de los átomos es lo que da lugar a la propiedad única del grafeno: los electrones de este material se mueven como si no tuvieran masa. Este comportamiento "sin masa" de los electrones da lugar a una conductividad eléctrica muy elevada 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 las aplicaciones de la electrónica moderna.

Recientemente se ha descubierto que la elevada conductividad electrónica y el comportamiento "sin masa" de sus electrones permiten al grafeno alterar los componentes de frecuencia de las corrientes eléctricas que lo atraviesan. Esta propiedad depende en gran medida de la intensidad de la corriente. En la electrónica moderna, esta no linealidad constituye una de las funcionalidades más básicas para la conmutación y el procesamiento de las señales eléctricas. Lo que hace único al grafeno es que su no linealidad es, con mucho, la más fuerte de todos los materiales electrónicos. Además, funciona muy bien para frecuencias electrónicas excepcionalmente altas, que se extienden hasta el rango de los terahercios (THz), de gran importancia tecnológica, donde la mayoría de los materiales electrónicos convencionales fallan.

En su nuevo estudio, el equipo de investigadores de Alemania y España demostró que la no linealidad del grafeno puede controlarse de forma muy eficaz aplicando al material tensiones eléctricas comparativamente modestas. 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. A continuación, se transmitieron señales de THz de altísima frecuencia utilizando el dispositivo: la transmisión y posterior transformación de estas señales se analizaron entonces en relación con el voltaje aplicado. Los investigadores descubrieron que el grafeno se vuelve casi perfectamente transparente a un determinado voltaje: su respuesta no lineal, normalmente fuerte, casi desaparece. Aumentando o reduciendo ligeramente el voltaje a partir de este valor crítico, el grafeno puede convertirse en un material fuertemente no lineal, alterando significativamente la fuerza y los componentes de frecuencia de las señales electrónicas THz transmitidas y remitidas.

"Se trata de un paso importante hacia la implementación del grafeno en aplicaciones de procesamiento de señales eléctricas y modulación de señales", afirma el profesor Dmitry Turchinovich, físico de la Universidad de Bielefeld y uno de los responsables de este estudio. "Anteriormente ya habíamos demostrado que el grafeno es, con mucho, el material funcional más no lineal que conocemos. También entendemos la física que hay 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 controlar esta no linealidad, que era el eslabón que faltaba para utilizar el grafeno en las tecnologías cotidianas."

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

"Con este trabajo, hemos alcanzado un hito importante en el camino hacia el uso del grafeno como material cuántico funcional no lineal extremadamente eficiente en dispositivos como convertidores, mezcladores y moduladores de frecuencia de THz", afirma el profesor Dr. Michael Gensch del Instituto de Sistemas de Sensores Ópticos 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 ultra alta frecuencia existente, como CMOS o Bi-CMOS. Por lo tanto, ahora es posible imaginar dispositivos híbridos en los que la señal eléctrica inicial se genera a una frecuencia más baja utilizando la tecnología de semiconductores existente, pero que luego se puede convertir de forma muy eficiente a frecuencias de THz mucho más altas en el grafeno, todo ello de forma totalmente controlable y predecible."

En este estudio han participado investigadores de la Universidad de Bielefeld, el Instituto de Sistemas de Sensores Ópticos del DLR, la Universidad Técnica de Berlín, el Centro Helmholtz de Dresde-Rossendorf y el Instituto Max Planck de Investigación de Polímeros de Alemania, así como el Instituto Catalán de Nanociencia y Nanotecnología (ICN2) y el Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) de España.

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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