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Estudio sobre el "material maravilloso" Graphene asombra a los investigadores

Los científicos de HZDR descubren una redistribución de electrones extraordinariamente fuerte en el grafeno.

Científicos del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) han estudiado la dinámica de los electrones del grafeno "material maravilloso" en un campo magnético por primera vez. Esto condujo al descubrimiento de un fenómeno aparentemente paradójico en el material. Su comprensión podría hacer posible un nuevo tipo de láser en el futuro. Junto con investigadores de Berlín, Francia, la República Checa y los Estados Unidos, los científicos describieron con precisión sus observaciones en un modelo y ahora han publicado sus hallazgos en la revista científica Nature Physics.

El grafeno se considera un "material maravilloso": su resistencia a la rotura es más alta que el acero y conduce la electricidad y el calor de manera más efectiva que el cobre. Como una estructura bidimensional que consta de una sola capa de átomos de carbono, también es flexible, casi transparente y aproximadamente un millón de veces más delgada que una hoja de papel. Además, poco después de su descubrimiento hace diez años, los científicos reconocieron que los estados de energía del grafeno en un campo magnético, conocidos como niveles de Landau, se comportan de manera diferente a los de los semiconductores. "Se han descubierto muchos efectos fascinantes con el grafeno en los campos magnéticos, pero la dinámica de los electrones nunca se ha estudiado en un sistema así hasta ahora", Explica el físico Dr. Stephan Winnerl de HZDR.

Los investigadores del HZDR expusieron el grafeno a un campo magnético de cuatro Tesla, cuarenta veces más fuerte que un imán de herradura. Como resultado, los electrones en el grafeno ocupan solo ciertos estados de energía. Las partículas cargadas negativamente fueron virtualmente forzadas en las pistas. Estos niveles de energía se examinaron luego con pulsos de luz láser de electrones libres en el HZDR. "El pulso láser excita los electrones en un cierto nivel Landau. Un pulso temporalmente retrasado luego prueba cómo evoluciona el sistema", Explica Martin Mittendorff, candidato doctoral en HZDR y primer autor del artículo.

La redistribución de electrones sorprende a los científicos

El resultado de los experimentos ha asombrado a los investigadores. Este nivel de energía particular, en el que se bombeaban nuevos electrones utilizando el láser, se vaciaba gradualmente. Winnerl ilustra este efecto paradójico usando un ejemplo cotidiano: "Imagine a un bibliotecario ordenando libros en una estantería con tres estantes. Coloca un libro a la vez desde el estante inferior al estante del medio. Su hijo está "ayudando" al mismo tiempo tomando dos libros del estante del medio, colocando uno de ellos en el estante superior y el otro en la parte inferior. El hijo está muy ansioso y ahora el número de libros en el estante del medio disminuye a pesar de que este es precisamente el estante que su madre desea llenar".

Debido a que antes no había experimentos ni teorías con respecto a tales dinámicas, los físicos de Dresden inicialmente tuvieron dificultades para interpretar las señales correctamente. Sin embargo, después de varios intentos encontraron una explicación: las colisiones entre electrones causan esta inusual reordenación. "Este efecto se conoce desde hace mucho tiempo como dispersión de barrena, pero nadie esperaba que fuera tan fuerte y causaría que un nivel de energía se agotara.", Explica Winnerl.

Este nuevo descubrimiento podría usarse en el futuro para desarrollar un láser que pueda producir luz con longitudes de onda arbitrariamente ajustables en los rangos de infrarrojos y terahercios. "Tal láser de nivel Landau durante mucho tiempo se consideró imposible, pero ahora con el grafeno, el sueño de este físico semiconductor podría convertirse en realidad.", Dice Winnerl con entusiasmo.

Investigadores de Berlín calculan modelo complejo para experimentos de Dresde

Después de que el modelo fundamental utilizado en los experimentos había funcionado satisfactoriamente, siguió el trabajo teórico preciso, que se llevó a cabo en la Universidad Técnica de Berlín. Los científicos berlineses Ermin Malic y Andreas Knorr confirmaron, utilizando cálculos complejos, los supuestos del grupo Dresden y proporcionaron información detallada sobre los mecanismos subyacentes. Los investigadores del HZDR cooperaron además con el Laboratorio francés de campo magnético alto en Grenoble (Laboratorio Nacional de Campos Magníficos Intensos - LNCMI), la Universidad Charles de Praga y el Instituto Tecnológico de Georgia en Atlanta (EE. UU.).

La investigación ha sido financiada por la asociación de investigación alemana DFG (Deutsche Forschungsgemeinschaft) dentro del programa "Grafeno".

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