Los físicos de la Universidad de Wisconsin-Madison midieron directamente, por primera vez con una resolución de nanómetros, el flujo de electrones similar a un fluido en el grafeno. Los resultados, que aparecerán en la revista Science el 17 de febrero, tienen aplicaciones en el desarrollo de nuevos materiales de baja resistencia, donde el transporte eléctrico sería más eficiente.

El grafeno, una lámina de carbono del espesor de un átomo dispuesta en un patrón de panal, es un conductor eléctrico especialmente puro, lo que lo convierte en un material ideal para estudiar el flujo de electrones con muy baja resistencia. Aquí, los investigadores agregaron intencionalmente impurezas a distancias conocidas y descubrieron que el flujo de electrones cambia de gas a fluido a medida que aumentan las temperaturas.

« Todos los materiales conductores contienen impurezas e imperfecciones que bloquean el flujo de electrones, lo que provoca resistencia. Históricamente, las personas han adoptado un enfoque de baja resolución para identificar de dónde proviene la resistencia », dice Zach Krebs, estudiante graduado de física en UW-Madison y co- autor principal del estudio. « En este estudio, imaginamos cómo fluye la carga alrededor de una impureza y, de hecho, vemos cómo esa impureza bloquea la corriente y provoca resistencia, algo que no se había hecho antes para distinguir el flujo de electrones de tipo gaseoso y líquido.

Los investigadores introdujeron intencionalmente obstáculos en el grafeno, espaciados a distancias controladas y luego aplicaron una corriente a través de la hoja. Utilizando una técnica llamada barrido de túneles de potenciometría (STP), midieron el voltaje con resolución nanométrica en todos los puntos del grafeno, produciendo un mapa 2D del patrón de flujo de electrones.

Independientemente del espacio entre obstáculos, la caída de voltaje a través del canal fue mucho menor a una temperatura más alta (77 kelvin) frente a una temperatura más baja (4 K), lo que indica una resistencia más baja con más electrones que pasan a través.

A temperaturas cercanas al cero absoluto, los electrones del grafeno se comportan como un gas: se difunden en todas las direcciones y es más probable que choquen contra obstáculos que interactúen entre sí. La resistencia es mayor y el flujo de electrones es relativamente ineficiente. A temperaturas más altas, 77 K, o menos 196 C, el comportamiento fluido del flujo de electrones significa que interactúan entre sí más de lo que golpean obstáculos, fluyendo como el agua entre dos rocas en medio de una corriente. Es como si los electrones estuvieran comunicándose información sobre el obstáculo entre sí y desviándose alrededor de las rocas.

« Hicimos un análisis cuantitativo y descubrió que a mayor temperatura, la resistencia es mucho menor en el canal. Los electrones fluían más libremente y como un fluido », dice Krebs. « El grafeno es tan limpio que estamos obligando a los electrones a interactuar entre sí antes de que interactúen con cualquier otra cosa, y eso es crucial para lograr que se comporten como un líquido. »

El ex estudiante graduado de UW-Madison, Wyatt Behn, es coautor de este estudio realizado en el grupo del profesor de física Victor Brar. El financiamiento fue proporcionado por el Departamento de Energía de EE. UU. (DE-SC00020313), la Oficina de Investigación Naval (N00014-20-1-2356) y la Fundación Nacional de Ciencias (DMR-1653661).