El valor experimental del grafeno, un material con alta conductividad, viene definido por unidades físicas fundamentales independientemente del origen de la muestra. Esto resulta extraordinario, pero ahora investigadores de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) ofrecen en la revista Physical Review B una explicación a este sorprendente fenómeno.
Desde el primer trabajo publicado sobre grafeno por los recientemente galardonados con el premio Nobel Andre Geim y Konstantin Novoselov, la conductividad de este material ha sido el centro de un intenso debate. El hecho de que su valor experimental venga definido por unidades físicas fundamentales, independientemente del origen de la muestra de grafeno, es algo extraordinario. En una reciente publicación, Investigadores de la Universidad Autónoma de Madrid ofrecen una explicación a este sorprendente hecho.
La aparición de nuevos fenómenos en Física de la Materia Condensada se encuentra indefectiblemente unida a la síntesis, fabricación e incluso al descubrimiento casual de nuevos materiales; y lo que es aún más importante, a la calidad de dichos materiales. Las heteroestructuras de diferentes materiales semiconductores son, por poner un ejemplo, un claro reflejo de esta relación entre el progreso en la fabricación y el descubrimiento de nuevos fenómenos físicos. En la actualidad un nuevo material es el responsable del renovado interés en los sistemas electrónicos bidimensionales: el grafeno.
Difícilmente se puede encontrar un material que haya creado tantas expectativas en la comunidad científica y en tan poco tiempo como el grafeno. Su espectacular auge rivaliza ya con el que en su día tuvieron los nanotubos de carbono, las multicapas magnéticas, las heteroestructuras semiconductoras e incluso con el de los propios superconductores de alta temperatura crítica.
El término grafeno se refiere a una única lámina de átomos de carbono organizados en una estructura cristalográfica de tipo hexagonal. La estructura electrónica de grafeno era conocida por los físicos teóricos desde hace aproximadamente 60 años. No obstante, el hecho de que los mismos físicos teóricos estuviesen de acuerdo en que no existe orden de largo alcance en dos dimensiones (y el grafeno es un cristal estrictamente bidimensional) hacía que sus fascinantes propiedades electrónicas no pasasen de ser una mera curiosidad académica.
Las ecuaciones de Schrödinger y Dirac
El principal motivo del interés despertado por este material es la naturaleza excepcional de sus portadores. En Física de la Materia Condensada, la ecuación de Schrödinger describe las propiedades electrónicas de cualquier material. El grafeno no es una excepción pero las interacciones con los núcleos de los átomos de carbono hacen que los electrones en el grafeno imiten en su comportamiento a partículas relativistas sin masa gobernadas por la ecuación de Dirac. Si a la falta de defectos estructurales y consiguiente estabilidad mecánica le añadimos las mencionadas propiedades electrónicas “relativistas”, el resultado es un material en el que sus portadores muestran una movilidad extraordinaria si se compara con la de semiconductores como el silicio.
Se cree que la movilidad está fundamentalmente limitada por impurezas derivadas del contacto con el sustrato, aunque, a día de hoy, la naturaleza de éstas no haya sido identificada con certeza. Otro aspecto aún más intrigante, es el hecho de que la conductividad del grafeno sin dopar es finita y aparentemente está definida a través de constantes universales presentando un valor en torno a 4e²/h para la mayor parte de las muestras. Esto es algo difícilmente anticipable dado que el grafeno es un semiconductor de gap cero y su densidad de estados es cero al nivel de Fermi. ¿Por qué el valor de la conductividad es universal y cuál es su origen microscópico? son preguntas fundamentales que permanecen sin respuesta.
En el trabajo recientemente publicado en Physical Review B por investigadores del Departamento de Física de la Materia Condensada de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM), este tema fue abordado desde un punto de vista teórico-computacional usando técnicas de primeros principios en combinación con teoría de transporte electrónico cuántico.
Los investigadores de la UAM se ayudaron de un nuevo material imaginario apodado “hidrófeno”, que presenta unas propiedades electrónicas similares a las del grafeno pero con un coste computacional mucho menor. Sus cálculos han revelado que la conductividad se encuentra en el entorno de 4e²/h y que es sorprendentemente robusta a la variación en la densidad e intensidad de las impurezas cercanas al grafeno. De ahí la falsa sensación de universalidad.
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Referencia bibliográfica:
J. J. Palacios, "Origin of the quasiuniversality of the minimal conductivity of grapheme". Phys. Rev. B 82, 165439, 2010. DOI: 10.1103/PhysRevB.82.165439.
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