Blog

Jun 16, 2023

Grafeno: la perfección es inútil

Nada en el mundo es perfecto. Esto también es válido en la investigación de materiales. En las simulaciones por computadora, a menudo se representa un sistema de una manera muy idealizada; por ejemplo, se calculan las propiedades

Nada en el mundo es perfecto. Esto también es válido en la investigación de materiales. En las simulaciones por computadora, a menudo se representa un sistema de una manera muy idealizada; por ejemplo, se calculan las propiedades que tendría un cristal absolutamente perfecto. En la práctica, sin embargo, siempre tenemos que lidiar con efectos adicionales: con defectos en la red cristalina, con partículas adicionales que se adhieren al material, con interacciones complicadas entre las partículas. Por lo tanto, la pregunta crucial es: ¿Estos efectos adicionales inevitables cambian las propiedades del material o no?

Esto es especialmente interesante en el caso del grafeno, un material bidimensional que consta de una sola capa de átomos de carbono. Desde hace tiempo se sabe que el grafeno tiene excelentes propiedades electrónicas. Sin embargo, hasta ahora no estaba claro qué tan estables son estas propiedades. ¿Son destruidos por perturbaciones y efectos adicionales, inevitables en la práctica, o permanecen intactos? Universidad Técnica de Viena (Viena)ahora ha tenido éxito en el desarrollo de un modelo informático integral de estructuras de grafeno realistas. Resultó que los efectos deseados son muy estables. Incluso las piezas de grafeno que no son del todo perfectas pueden utilizarse bien para aplicaciones tecnológicas. Esta es una buena noticia para la comunidad mundial del grafeno.

"Calculamos a escala atómica cómo se propaga la corriente eléctrica en un pequeño trozo de grafeno", dice el profesor Florian Libisch del Instituto de Física Teórica de la Universidad Técnica de Viena. "Hay diferentes maneras en que un electrón puede moverse a través del material. Según las reglas de la física cuántica, no tiene que elegir uno de estos caminos; el electrón puede tomar varios caminos al mismo tiempo".

Estos diferentes caminos pueden luego superponerse de diferentes maneras. En valores de energía muy específicos, los caminos se cancelan entre sí; Con esta energía, la probabilidad de que los electrones atraviesen la pieza de grafeno es muy baja y la corriente eléctrica es mínima. Esto se llama "interferencia destructiva".

"El hecho de que el flujo de corriente disminuya drásticamente con valores de energía muy específicos por razones físicas cuánticas es un efecto muy deseable desde el punto de vista tecnológico", explica Libisch. "Esto se puede utilizar, por ejemplo, para procesar información en una escala pequeña, similar a lo que hacen los componentes electrónicos en los chips de computadora".

También se puede utilizar para desarrollar nuevos sensores cuánticos: supongamos que una pieza de grafeno prácticamente no conduce corriente alguna. Entonces, de repente, una molécula del exterior se adhiere a la superficie del grafeno. "Esta molécula cambia ligeramente las propiedades electrónicas de la pieza de grafeno, y eso puede ser suficiente para aumentar repentinamente el flujo de corriente de manera bastante drástica", dice el Dr. Robert Stadler. "Esto podría usarse para fabricar sensores extremadamente sensibles".

Pero los efectos físicos que influyen en los detalles son muy complicados: "El tamaño y la forma de la pieza de grafeno no siempre son los mismos, y hay interacciones de muchos cuerpos entre varios electrones que son muy difíciles de calcular matemáticamente. En algunos lugares hay átomos adicionales no deseados y los átomos siempre se tambalean un poco; todo esto hay que tenerlo en cuenta para poder describir el material grafeno de una manera verdaderamente realista", dice el Dr. Angelo Valli.

Esto es exactamente lo que se ha conseguido ahora en la Universidad Técnica de Viena: Valli, Stadler, Thomas Fabian y Libisch tienen años de experiencia en describir correctamente diferentes efectos de materiales en modelos informáticos. Combinando su experiencia, han logrado desarrollar un modelo informático integral que incluye todas las fuentes de error y efectos de perturbación relevantes que existen en los gráficos. Y así pudieron demostrar que incluso en presencia de estas fuentes de error, los efectos deseados siguen siendo visibles. Todavía es posible encontrar una determinada energía con la que la corriente fluya sólo en una medida muy pequeña debido a los efectos cuánticos. Los experimentos ya habían demostrado que esto es plausible, pero hasta ahora faltaba una investigación teórica sistemática.

Esto demuestra que el grafeno no tiene que ser perfecto para usarse en tecnología de la información cuántica o detección cuántica. Para la investigación aplicada en este campo, este es un mensaje importante: los esfuerzos mundiales para utilizar los efectos cuánticos del grafeno de forma controlada son realmente prometedores.

- Este comunicado de prensa se publicó originalmente en el sitio web de la Universidad Tecnológica de Viena.