La llum fa “descarrilar” electrons a través del grafè

La manera com els electrons es mouen dins dels materials determina les seves propietats electròniques. Per exemple, quan s'aplica un voltatge a través d’un material conductor, els electrons comencen a fluir i generen un corrent elèctric. Aquests electrons flueixen, segons es creu, en trajectòries rectes, movent-se al llarg del camp elèctric, com una pilota que roda cap avall en un pla inclinat.

Tot i això, aquestes no són les úniques trajectòries que poden adoptar els electrons: quan s'aplica un camp magnètic, els electrons ja no viatgen en camins rectes al llarg del camp elèctric, sinó que, de fet, les seves trajectòries es corben. El flux no rectilini dels electrons genera senyals transversals coneguts com a respostes de “Hall” (“Hall responses”).

Ara bé, una de les preguntes que s’han plantejat els científics durant aquests anys és  la següent:  és possible corbar la trajectòria dels electrons sense aplicar un camp magnètic? En un nou estudi publicat a Science, un equip internacional d'investigadors anuncia que ha aconseguit corbar les trajectòries dels fluxos electrònics dins el grafè bicapa amb llum infraroja polaritzada circular.

L'estudi ha estat realitzat per un equip format pels científics de l'ICFO Jianbo Yin (actualment investigador del Beijing Graphene Institute, Xina), David Barcons, Iacopo Torre, dirigit pel Professor ICREA de l’ICFO Frank Koppens, en col·laboració amb Cheng Tan i James Hone de la Universitat de Columbia, Kenji Watanabe i Takashi Taniguchi de NIMS Japó i el professor Justin Song de la Universitat Tecnològica de Nanyang (NTU) a Singapur.

Jianbo Yin, primer autor de l’estudi, recorda molt bé com va començar tot. “Aquest estudi col·laboratiu va començar l’any 2016 en una conversa entre Justin Song i Frank Koppens en una conferència científica”. Com explica Justin Song, “els electrons no són només partícules, sinó que també poden ser vistos com una ona quàntica”. En els materials quàntics, com el grafè bicapa, el patró d'ona dels electrons pot exhibir un enrotllament (winding) complicat que s'anomena geometria quàntica. “En Frank i jo vam parlar sobre la possibilitat d'aprofitar aquesta geometria quàntica del grafè bicapa per intentar doblegar la trajectòria dels electrons amb llum en comptes de fer-ho mitjançant camps magnètics”.

Amb aquesta idea, Jianbo Yin, investigador de l'equip de Frank Koppens, va assumir el repte de dur a terme l'experiment per poder observar aquest fenomen inusual. “El nostre dispositiu va ser molt complicat de construir. Va ser necessari construir molts dispositius i anar a la Universitat de Columbia als Estats Units per treballar amb en Cheng Tan i en James Hone per tal de millorar  la qualitat del dispositiu”.

Geometria quàntica i selectivitat de la vall

En el grafè bicapa, hi ha dues concentracions de valls d'electrons denominades K i K': quan s'aplica un camp elèctric perpendicular a la capa de grafè, les propietats geomètriques quàntiques dels electrons en aquestes dues valls poden provocar que les trajectòries dels electrons es corbin en direccions oposades i, com a resultat total provocar que els seus efectes Hall es cancel·lin.

En el seu estudi, l'equip de científics va descobrir que en aplicar llum infraroja circularment polaritzada sobre el dispositiu de grafè bicapa, aconseguien excitar de manera selectiva un conjunt específic d'electrons d'una de les valls del material, fet que generava un fotovoltatge perpendicular al flux d'electrons habitual.

Tal i com destaca Frank Koppens, “vam dissenyar el dispositiu i el vam configurar de manera que el corrent d'electrons fossin capaços de fluir únicament amb aplicant llum. Amb això, vam poder evitar el “soroll” de fons que dificulta les mesures i vam obtenir una sensibilitat en la detecció diversos ordres de magnitud més gran que en qualsevol altre material 2D”.

Aquest resultat és significatiu perquè els fotodetectors convencionals que s'utilitzen avui dia requereixen sovint de grans polaritzacions del voltatge que, alhora al mateix temps, poden generar "corrents foscos" (dark currents) que flueixen fins i tot quan no hi ha llum.

Yin comenta que “podem controlar el grau de curvatura de la trajectòria dels electrons amb el camp elèctric que apliquem fora del pla. Podem canviar l'angle de curvatura d'aquests electrons, que es pot quantificar a través de la conductivitat de Hall. Mitjançant el control del voltatge, es pot ajustar la curvatura de Berry [una característica de la geometria quàntica], cosa que pot conduir a una conductivitat Hall enorme”.

Els resultats de l'estudi obren un nou camp d'aplicacions en l'àmbit de la detecció i l’obtenció d'imatges. Segons Frank Koppens, ”aquest descobriment podria tenir implicacions importants en el desenvolupament de detectors del rang de l’infraroig i de terahercis, ja que el grafè bicapa té la gran capacitat de transformar-se d’un material semimetal·lic a un semiconductor, amb una banda prohibida (bandgap) molt petita. És per això que pot, detectar fotons d'energies molt petites.”

“També pot ser útil, per exemple, per obtenir imatges des de l'espai, imatges per al diagnòstic mèdic, per exemple, per al càncer de pell o altres teixits, o fins i tot per a aplicacions de seguretat com la inspecció de qualitat de materials”, conclou Koppens.

Les possibilitats són immenses. Els pròxims passos a seguir en la recerca de nous materials 2D, com el grafè bicapa girat, poden obrir la porta a trobar noves maneres de controlar els fluxos d'electrons i les propietats optoelectròniques no convencionals d'aquests materials.

###

Referència: Tunable and giant valley selective Hall effect in gapped bilayer graphene, Jianbo Yin, Cheng Tan, David Barcons-Ruiz, Iacopo Torre, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Justin C. W. Song, James Hone, Frank H. L. Koppens, 2022, SCIENCE, Doi: 10.1126/science.abl4266