Los electrones atrapados que viajan en bucles circulares a velocidades extremas dentro de los puntos cuánticos de grafeno son muy sensibles a los campos magnéticos externos y podrían usarse como nuevos sensores de campo magnético con capacidades únicas, según un nuevo estudio.

Los electrones en el grafeno (una forma atómicamente delgada de carbono) se comportan como si no tuvieran masa, como los fotones, que son partículas de luz sin masa. Aunque los electrones de grafeno no se mueven a la velocidad de la luz, exhiben la misma relación energía-momento que los fotones y pueden describirse como « ultra-relativistas ». Cuando estos electrones están confinados en un punto cuántico, viajan a alta velocidad en bucles circulares alrededor del borde del punto.

“Estos bucles de corriente crean momentos magnéticos que son muy sensibles a los campos magnéticos externos”, explicó Jairo Velasco Jr. profesor asociado de física en UC Santa Cruz. « La sensibilidad de estos bucles de corriente se deriva del hecho de que los electrones de grafeno son ultrarrelativistas y viajan a alta velocidad ».

Velasco es autor correspondiente de un artículo sobre los nuevos hallazgos, publicado el 6 de marzo en Nature Nanotechnology. Su grupo en UC Santa Cruz usó un microscopio de túnel de barrido (STM) para crear los puntos cuánticos en el grafeno y estudiar sus propiedades. Entre sus colaboradores en el proyecto se encuentran científicos de la Universidad de Manchester, Reino Unido, y el Instituto Nacional de Ciencias de los Materiales de Japón.

« Este fue un trabajo de gran colaboración », dijo Velasco. « Hicimos las mediciones en mi laboratorio en la UCSC y luego trabajamos muy de cerca con físicos teóricos de la Universidad de Manchester para comprender e interpretar nuestros datos ».

Las propiedades ópticas y eléctricas únicas de los puntos cuánticos, que a menudo están hechos de nanocristales semiconductores, se deben a que los electrones están confinados dentro de una estructura a nanoescala, de modo que su comportamiento se rige por la mecánica cuántica. Debido a que la estructura electrónica resultante es como la de los átomos, los puntos cuánticos a menudo se denominan « átomos artificiales ». El enfoque de Velasco crea puntos cuánticos en diferentes formas de grafeno usando un « corral » electrostático para confinar los electrones veloces del grafeno.

« Parte de lo que hace que esto sea interesante es la física fundamental de este sistema y la oportunidad de estudiar la física atómica en el régimen ultrarrelativista », dijo. « Al mismo tiempo, existen aplicaciones potenciales interesantes para esto como un nuevo tipo de sensor cuántico que puede detectar campos magnéticos a escala nanométrica con alta resolución espacial ».

También son posibles aplicaciones adicionales, según el coautor Zhehao Ge, estudiante graduado en física de la UCSC. « Los hallazgos de nuestro trabajo también indican que los puntos cuánticos de grafeno pueden potencialmente albergar una corriente gigante persistente (una corriente eléctrica perpetua sin necesidad de una fuente de alimentación externa) en un pequeño campo magnético », dijo Ge. « Tal corriente puede usarse potencialmente para simulación cuántica y computación cuántica ».

El estudio analizó los puntos cuánticos tanto en el grafeno monocapa como en el grafeno bicapa retorcido. El grafeno descansa sobre una capa aislante de nitruro de boro hexagonal, y un voltaje aplicado con la punta STM crea cargas en el nitruro de boro que sirven para confinar electrostáticamente los electrones en el grafeno.

Aunque el laboratorio de Velasco usa STM para crear y estudiar puntos cuánticos de grafeno, se podría usar un sistema más simple que use electrodos de metal en una matriz de barras transversales en un dispositivo de sensor magnético. Debido a que el grafeno es altamente flexible, el sensor podría integrarse con sustratos flexibles para permitir la detección de campos magnéticos de objetos curvos.

“Podrías tener muchos puntos cuánticos en una matriz, y esto podría usarse para medir campos magnéticos en organismos vivos, o para comprender cómo se distribuye el campo magnético en un material o dispositivo”, dijo Velasco.

Los coautores del artículo son Zhehao Ge, estudiante de posgrado en el laboratorio de Velasco en la UCSC, y Sergey Slizovskiy de la Universidad de Manchester. Vladimir Fal’ko de la Universidad de Manchester es un autor correspondiente, y los otros coautores incluyen a Peter Polizogopoulos, Toyanath Joshi y David Lederman en UC Santa Cruz, y Takashi Taniguchi y Kenji Watanabe en el Instituto Nacional de Ciencia de Materiales en Japón. Este trabajo fue apoyado en parte por la Fundación Nacional de Ciencias y la Oficina de Investigación del Ejército.