Investigadores de la ETH Zurich han demostrado por primera vez cómo los electrones forman vórtices en un material a temperatura ambiente. Su experimento utilizó un microscopio de detección cuántica de altísima resolución.

• en GrafenoLos electrones se comportan como un líquido. Esto puede provocar la formación de vórtices.
• Estos vórtices electrónicos ahora son visibles gracias a un sensor de campo magnético cuántico de alta resolución espacial.
• Los fenómenos de transporte suelen detectarse más fácilmente a temperaturas más bajas. Gracias a su sensor de alta sensibilidad, los investigadores de ETH pudieron controlar los remolinos incluso a temperatura ambiente.

Cuando un conductor eléctrico ordinario, como un cable metálico, se conecta a una batería, los electrones del conductor son acelerados por el campo eléctrico generado por la batería. A medida que se mueven, los electrones frecuentemente chocan con átomos de impurezas o espacios vacíos en la red cristalina del cable, convirtiendo parte de su energía cinética en vibraciones de la red. La energía perdida en este proceso se convierte en calor, que se puede sentir, por ejemplo, al tocar una bombilla incandescente.

Si bien las colisiones con impurezas de la red ocurren con frecuencia, las colisiones entre electrones son mucho más raras. Sin embargo, la situación cambia cuando se utiliza grafeno, una sola capa de átomos de carbono dispuestos en una red de panal, en lugar de un alambre común de hierro o cobre. En el grafeno, las colisiones de impurezas son raras y las colisiones entre electrones desempeñan el papel principal. En este caso, los electrones se comportan como un fluido viscoso. Por lo tanto, en la capa de grafeno deberían producirse fenómenos de flujo bien conocidos, como los vórtices.

Informe en la revista científica. CienciasLos investigadores de la ETH Zurich del grupo de Christian Degen han podido detectar directamente por primera vez vórtices de electrones en el grafeno, utilizando un sensor de campo magnético de alta resolución.

La microscopía de detección cuántica es muy sensible

Los vórtices formaron pequeños discos circulares, que Degen y sus colegas fijaron durante el proceso de fabricación a una cinta conductora de grafeno de sólo un micrómetro de ancho. Los discos tenían diferentes diámetros, entre 1,2 y 3 µm. Los cálculos teóricos indican que los vórtices de electrones deberían formarse en los discos más pequeños, pero no en los discos más grandes.

Para hacer visibles los vórtices, los investigadores midieron pequeños campos magnéticos producidos por electrones que fluyen dentro del grafeno. Para ello utilizaron un sensor de campo magnético cuántico compuesto por el llamado centro de vacantes de nitrógeno (NV) integrado en la punta de una aguja de diamante. Al ser un defecto atómico, el centro NV se comporta como un objeto cuántico cuyos niveles de energía dependen de un campo magnético externo. Utilizando rayos láser y pulsos de microondas, se pueden preparar los estados cuánticos del centro de una manera que sea máximamente sensible a los campos magnéticos. Al leer los estados cuánticos con un láser, los investigadores pudieron determinar con mucha precisión la intensidad de esos campos.

“Debido a las pequeñas dimensiones de la aguja de diamante y a la pequeña distancia de la capa de grafeno (sólo unos 70 nanómetros), pudimos hacer visibles las corrientes de electrones con una resolución de menos de cien nanómetros”, dice Marius Palm, ex científico. Estudiante de doctorado en Grupo Degen. Esta resolución es suficiente para ver los vórtices.

Dirección de flujo invertida

En sus mediciones, los investigadores observaron un signo distintivo de los vórtices esperados en los discos más pequeños: una inversión de la dirección del flujo. Mientras que en el transporte de electrones normal (difuso), los electrones de la banda y del disco fluyen en la misma dirección, en el caso de un vórtice, la dirección del flujo dentro del disco se invierte. Como predijeron los cálculos, no se pudieron observar vórtices en los discos más grandes.

“Gracias a nuestro sensor altamente sensible y a nuestra alta resolución espacial, ni siquiera necesitábamos enfriar el grafeno y pudimos realizar experimentos a temperatura ambiente”, afirma Palm. Además, él y sus colegas descubrieron no sólo vórtices de electrones, sino también vórtices formados por portadores de huecos. Aplicando un voltaje debajo del grafeno, cambiaron el número de electrones libres de tal manera que el flujo de corriente ya no lo transportaban los electrones, sino los electrones faltantes, también llamados huecos. Sólo en el punto de neutralidad de carga, donde hay una concentración pequeña y equilibrada tanto de electrones como de huecos, los vórtices desaparecieron por completo.

“Por el momento, la detección de remolinos de electrones es una investigación básica y todavía quedan muchas preguntas abiertas”, dice Palm. Por ejemplo, los investigadores aún necesitan saber cómo las colisiones de electrones con los límites del grafeno afectan el patrón de flujo y qué efectos ocurren en estructuras más pequeñas. El nuevo método de detección utilizado por los investigadores de ETH también permite observar más de cerca muchos otros efectos exóticos de transferencia de electrones en estructuras microscópicas, fenómenos que ocurren en escalas de longitud desde varias decenas de nanómetros hasta unos pocos micrómetros.

Referencia: “Observación de corrientes parásitas en grafeno a temperatura ambiente” por Marius L. Palm, Zhaoxin Ding y William S. Hoxter, Takashi Taniguchi, Kenji Watanabe y Christian L. Déjen, 25 de abril de 2024, Ciencias.
doi: 10.1126/ciencia.adj2167