La luz hace “descarrilar” electrones a través del grafeno

La manera en que los electrones fluyen dentro de los materiales determina sus propiedades electrónicas. Por ejemplo, cuando se aplica un voltaje a través de un material conductor, los electrones comienzan a fluir, generando corriente eléctrica. Estos electrones fluyen, según se cree, en trayectorias rectilíneas, a lo largo del campo eléctrico, como una pelota que rueda cuesta abajo por un plano inclinado.

Sin embargo, estas no son las únicas trayectorias que pueden seguir los electrones: cuando se aplica un campo magnético, los electrones ya no viajan en caminos rectos a lo largo del campo eléctrico, sino que, de hecho, sus trayectorias se doblan. El flujo no rectilíneo de los electrones genera señales transversales conocidas como respuestas de "Hall" (“Hall” responses).

Ahora bien, una de las preguntas que los científicos se han hecho a lo largo de estos años es la siguiente: ¿es posible doblar la trayectoria de los electrones sin aplicar un campo magnético? En un nuevo estudio publicado en Science, un equipo internacional de investigadores anuncia que ha logrado doblar las trayectorias de los flujos electrónicos en el grafeno bicapa mediante luz infrarroja polarizada circular.

El estudio ha sido realizado por un equipo formado por los científicos del ICFO Jianbo Yin (actualmente investigador del Beijing Graphene Institute, China), David Barcons, Iacopo Torre, dirigido por ICREA Prof. en ICFO Frank Koppens, en colaboración con Cheng Tan y James Hone de la Universidad de Columbia, Kenji Watanabe y Takashi Taniguchi de NIMS Japón y el Prof. Justin Song de la Universidad Tecnológica de Nanyang (NTU) en Singapur.

Jianbo Yin, primer autor del estudio, recuerda muy bien cómo empezó todo. “Este estudio colaborativo comenzó en 2016 con una conversación entre Justin Song y Frank Koppens en una conferencia científica”. Como explica Justin Song, "los electrones no son solo partículas, sino que también pueden ser vistos como una onda cuántica". En los materiales cuánticos, como el grafeno bicapa, el patrón de onda de los electrones puede exhibir un “enrollado” (winding) complicado, lo que se denomina geometría cuántica. “Frank y yo hablamos sobre la posibilidad de aprovechar esta geometría cuántica en el grafeno bicapa para intentar doblar la trayectoria de los electrones con luz en vez de usar campos magnéticos”, recuerda Song.

Con esta idea en mente, Jianbo Yin, investigador del equipo de Frank Koppens, decidió asumir el desafío de llevar a cabo el experimento para poder observar este fenómeno inusual. “Nuestro dispositivo fue muy complicado de construir. Fue necesario construir muchos dispositivos y viajar a la Universidad de Columbia en Estados Unidos para trabajar con Cheng Tan y James Hone para  buscar mejorar la calidad del dispositivo”.

Geometría cuántica y selectividad  del valle

En el grafeno bicapa, hay dos concentraciones de “valles de electrones” (K y K'): cuando se aplica un campo eléctrico perpendicular a la capa de grafeno, las propiedades geométricas cuánticas de los electrones en estos dos valles pueden hacer que las trayectorias de los electrones se doblen en direcciones opuestas y como resultado global, sus efectos Hall se cancelan.

En su estudio, el equipo de científicos descubrió que al aplicar luz infrarroja circularmente polarizada sobre el dispositivo de grafeno bicapa, lograron excitar de manera selectiva una conjunto específico de electrones de uno de los valles en el material, lo que generó un fotovoltaje perpendicular al flujo de electrones habitual. Como destaca Koppens, “hemos diseñado el dispositivo y lo configuramos de tal manera que la corriente de electrones pueda fluir únicamente mediante la luz. Con esto, pudimos evitar el ruido de fondo que dificulta las mediciones y obtuvimos una sensibilidad en la detección varios órdenes de magnitud mas grande que para cualquier otro material 2D”.

Este resultado es significativo porque los fotodetectores convencionales que se utilizan hoy en día requieren a menudo grandes polarizaciones de voltaje que, a su vez, pueden generar "corrientes oscuras" (dark currents) que fluyen incluso cuando no hay luz.

Yin comenta que “podemos controlar el doblado de la trayectoria de los electrones con el campo eléctrico que aplicamos fuera del plano. Podemos cambiar el ángulo de doblado de estos electrones, el cual se puede cuantificar a través de la conductividad de Hall. Mediante el control del voltaje, se puede ajustar la curvatura de Berry [una característica de la geometría cuántica], lo que puede conducir a una conductividad Hall enorme".

Los resultados del estudio abren un nuevo campo de aplicaciones en el ámbito de detección y en la obtención de imágenes. Según Frank Koppens, “tal descubrimiento podría tener implicaciones importantes en las aplicaciones como el de detectores en el rango infrarrojo y de terahercios, ya que el grafeno bicapa tiene la gran capacidad de transformarse de un material semimetal a un semiconductor, con una banda prohibida (bandgap) muy pequeña, por lo que puede detectar fotones de energías muy pequeñas.”

“También puede ser útil, por ejemplo, para obtener imágenes desde el espacio, imágenes para el diagnóstico médico, por ejemplo, para el cáncer de piel u otros tejidos, o incluso para aplicaciones de seguridad o el control  de calidad de los materiales”, concluye Koppens.

Las posibilidades por ahora son inmensas. Los próximos pasos a seguir en la investigación de nuevos materiales 2D, como en el caso del grafeno bicapa girado, abren la puerta a encontrar nuevas formas de controlar los flujos de electrones y las propiedades optoelectrónicas no convencionales de estos materiales.

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Referencia: 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