A pesquisa que aparece no ACS Nano revela o movimento balístico dos elétrons no grafeno em tempo real.

As observações feitas na Universidade de Kansas' O Ultrafast Laser Lab pode levar a avanços no controle de elétrons em semicondutores, componentes fundamentais na maioria das tecnologias de informação e energia.

“Geralmente, o movimento dos elétrons é interrompido por colisões com outras partículas em sólidos”, disse ele. disse o autor principal Ryan Scott, estudante de doutorado no Departamento de Física e Física da KU. Astronomia.

"Isso é semelhante a alguém correndo em um salão de baile cheio de dançarinos. Estas colisões são bastante frequentes – cerca de 10 a 100 mil milhões de vezes por segundo. Eles desaceleram os elétrons, causam perda de energia e geram calor indesejado. Sem colisões, um elétron se moveria ininterruptamente dentro de um sólido, semelhante a carros em uma rodovia ou mísseis balísticos no ar. Nós nos referimos a isso como “transporte balístico”.

Scott realizou os experimentos de laboratório sob a orientação de Hui Zhao, professor de física e física. astronomia na KU. Eles se juntaram ao trabalho do ex-aluno de doutorado da KU, Pavel Valencia-Acuna, agora pesquisador de pós-doutorado no Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico.

Zhao disse que os dispositivos eletrônicos que utilizam transporte balístico poderiam ser potencialmente mais rápidos, mais potentes e mais eficientes em termos energéticos.

"Dispositivos eletrônicos atuais, como computadores e telefones, utilizam transistores de efeito de campo baseados em silício," Zhao disse. “Nesses dispositivos, os elétrons só podem flutuar a uma velocidade da ordem de centímetros por segundo devido às colisões frequentes que encontram. O transporte balístico de elétrons no grafeno pode ser utilizado em dispositivos com alta velocidade e baixo consumo de energia."

Os pesquisadores da KU observaram o movimento balístico no grafeno, um material promissor para dispositivos eletrônicos de próxima geração. Descoberto pela primeira vez em 2004 e premiado com o Prêmio Nobel de Física em 2010, o grafeno é feito de uma única camada de átomos de carbono formando uma estrutura hexagonal, semelhante a uma rede de futebol.

"Os elétrons no grafeno se movem como se sua capacidade 'efetiva' a massa é zero, tornando-os mais propensos a evitar colisões e a se mover balisticamente”, disse ele. Scott disse. “Experiências elétricas anteriores, ao estudar correntes elétricas produzidas por tensões sob diversas condições, revelaram sinais de transporte balístico. No entanto, essas técnicas não são rápidas o suficiente para rastrear os elétrons à medida que eles se movem.”

De acordo com os pesquisadores, os elétrons no grafeno (ou em qualquer outro semicondutor) são como estudantes sentados em uma sala de aula cheia, onde os alunos não podem se movimentar livremente porque as carteiras estão lotadas. A luz laser pode elétrons livres para desocupar momentaneamente uma mesa, ou & #39;buraco' como os físicos os chamam.

“A luz pode fornecer energia a um elétron para liberá-lo, de modo que ele possa se mover livremente”, disse ele. Zhao disse. "Isso é semelhante a permitir que um aluno se levante e se afaste da cadeira. No entanto, ao contrário de um estudante com carga neutra, um elétron tem carga negativa. Uma vez que o elétron tenha deixado seu “assento”, o assento fica carregado positivamente e rapidamente arrasta o elétron de volta, resultando em não mais elétrons móveis – como o aluno sentado novamente.

Devido a esse efeito, os elétrons superleves do grafeno só conseguem permanecer móveis por cerca de um trilionésimo de segundo antes de voltarem ao seu lugar. Este curto período de tempo representa um grande desafio para a observação do movimento dos elétrons. Para resolver este problema, os pesquisadores da KU projetaram e fabricaram uma estrutura artificial de quatro camadas com duas camadas de grafeno separadas por outros dois materiais de camada única, dissulfeto de molibdênio e disseleneto de molibdênio.

Os pesquisadores usam um ponto de laser bem focado para liberar alguns elétrons em sua amostra. Eles rastreiam esses elétrons mapeando a "refletância" da amostra, ou a porcentagem de luz que eles refletem.

“Vemos a maioria dos objetos porque eles refletem a luz para nossos olhos”, diz. Scott disse.

"Objetos mais brilhantes têm maior refletância. Por outro lado, os objetos escuros absorvem a luz, por isso as roupas escuras ficam quentes no verão. Quando um elétron móvel se move para um determinado local da amostra, ele torna esse local ligeiramente mais brilhante, alterando a forma como os elétrons naquele local interagem com a luz. O efeito é muito pequeno – mesmo com tudo otimizado, um elétron altera apenas a refletância em 0,1 parte por milhão.”

Para detectar uma mudança tão pequena, os investigadores libertaram 20.000 elétrons de uma só vez, utilizando uma sonda laser para refletir a amostra e medir esta refletância, repetindo o processo 80 milhões de vezes para cada ponto de dados. Eles descobriram que os elétrons, em média, se movem balisticamente por cerca de 20 trilionésimos de segundo, a uma velocidade de 22 quilômetros por segundo, antes de se chocarem com algo que encerre seu movimento. movimento balístico.