El efecto Hall cuántico es un fenómeno de gran importancia en las nuevas tecnologías cuánticas. En materiales diseñados para que los electrones únicamente puedan moverse en un plano, es decir, en dos dimensiones (2D), la resistencia eléctrica a bajas temperaturas varía en forma de escalera al aplicar un campo magnético externo. Lo más sorprendente es que el valor de la conductividad en los escalones toma exactamente el mismo valor para cualquier material y para cualquier muestra independientemente de su calidad. Descubierto en los años 80 por Klaus von Klitzing, fue premiado con el Nobel de Física en 1985. Hasta el descubrimiento del grafeno sólo había sido observado a temperatura extremadamente baja lo que limitaba su aplicabilidad práctica.
En este contexto, el Grupo de Nanotecnología de la Universidad de Salamanca (Nanotech-USAL-Nanolab), dirigido por el catedrático del Departamento de Física Fundamental Enrique Diez Fernández, acaba de publicar en Nature Communications importantes avances sobre el efecto Hall cuántico a temperatura ambiente empleando muestras de grafeno de alta calidad que “abren nuevas vías para la investigación en materiales conductores y su aplicación en dispositivos electrónicos avanzados”, informa a Comunicación USAL.
Los resultados son fruto del trabajo de investigación desarrollado por los científicos de la USAL en colaboración con investigadores del Instituto de Nanociencia-CNR de Pisa, la Universidad de Aquisgrán, la Universidad Radboud y el Laboratorio Europeo de Altos Campos Magnéticos (EFML) de Nijmegen.
Nuevas y únicas propiedades del grafeno
En palabras de Diez Fernández, “hace ya más de 15 años que campos magnéticos extremadamente intensos permitieron la observación por primera vez del efecto Hall cuántico a temperatura ambiente en grafeno”. No obstante, la mayoría de los estudios se han realizado en “muestras convencionales de grafeno depositadas sobre SiO2 que contenían muchas impurezas”. Entre las características del nuevo trabajo destacó el empleo para su ejecución de muestras de grafeno de alta calidad fabricadas por los propios científicos salmantinos en los laboratorios del grupo en la USAL encapsuladas entre capas de nitruro de boro hexagonal (hBN), proporcionadas por investigadores del NIMS (Japón).
Una vez elaboradas, los investigadores se desplazaron al EFML de Nijmegen para realizar en las nuevas muestras de grafeno Hbn las medidas a altos campos magnéticos, lo que les ha permitido profundizar en la investigación del fenómeno, además de “constatar nuevas y únicas propiedades del comportamiento del grafeno ante el fenómeno del Hall cuántico”, subraya.
Dispersión electrón-fonón
El efecto Hall cuántico es “una espectacular demostración de los efectos cuánticos en sistemas 2D que habitualmente aparece en presencia de campos magnéticos muy intensos y a temperaturas muy bajas de unos pocos grados Kelvin”. Estas condiciones suelen suprimir las vibraciones de la red atómica (fonones), por lo que desempeñan un papel marginal en el transporte electrónico. Asimismo, la dispersión electrón-fonón, es decir, la interacción entre los electrones y las vibraciones de los átomos en el material, puede afectar la conductividad eléctrica.
Por su parte, el grafeno es un material puramente 2D formado por átomos de carbono dispuesto en forma de panel de abejas, en estructura de red hexagonal, que se comporta de forma muy distinta a otros sistemas 2D. Es conocido por sus propiedades únicas, incluyendo su alta conductividad eléctrica y térmica y su resistencia mecánica y, como se ha podido comprobar, permite la observación del efecto Hall cuántico incluso a temperatura ambiente.
Ahora, gracias a este nuevo trabajo de investigación, los científicos de la Universidad de Salamanca y sus colegas han podido identificar, además, un fenómeno relacionado con la dispersión electrón-fonón en el grafeno que tiene implicaciones significativas para el estudio del transporte electrónico en sistemas 2D.
En este sentido, la información obtenida durante la investigación parecía seguir “perfectamente” las predicciones de un modelo teórico desarrollado recientemente por otros colegas que indicaba que “la dependencia con la temperatura de la resistencia se asocia a dispersión fonón-electrón exclusivamente”, apuntan. Gracias a la enorme cantidad de datos recogidos sobre una amplia colección de muestras, los científicos de la USAL han sido capaces de reproducir este comportamiento en varias de ellas y encontrar una “correlación entre las desviaciones del límite de fonones del efecto Hall cuántico a temperatura ambiente y la movilidad en ausencia de campo magnético”, afirman.
Es por ello que, esta observación de transporte en el efecto Hall cuántico mediado únicamente por fonones es “una nueva propiedad única del grafeno que tiene implicaciones significativas para el estudio del transporte electrónico en sistemas 2D y para el desarrollo de tecnologías avanzadas y dispositivos electrónicos más eficientes y precisos”, concluyen.
Al respecto, cabe destacar que, entre otras, Nanotech-USAL-Nanolab desarrolla una línea de investigación concreta orientada al estudio de nanoestructuras de grafeno no convencionales en busca de propiedades físicas únicas teniendo en cuenta sus usos en dispositivos novedosos para ser utilizados en una amplia gama de aplicaciones como comunicaciones, salud, seguridad y/o ciencias de la vida.
Sus resultados de investigación, siempre a la vanguardia, se publican periódicamente en revistas científicas de primer nivel y se presentan en congresos internacionales.
Nanotech-USAL-Nanolab: investigación en nanotecnología y nanociencia
Nanotech-USAL-Nanolab es un grupo de investigación interdepartamental registrado como Unidad de Investigación Consolidada UIC 134 por la Junta de Castilla y León. Abarca el modelado teórico y computacional con nanofabricación experimental y caracterización óptica y de transporte y cuenta con el apoyo de la Agencia Estatal de Investigación de España y la Junta de Castilla y León, incluidos los fondos FEDER.
El grupo desarrolla varias líneas de investigación en nanotecnologías y nanociencia. Entre otras, investiga aspectos fundamentales y aplicados de nanosistemas cuánticos basados en nuevos materiales como grafeno y materiales relacionados 2D, aisladores topológicos y heteroestructuras semiconductoras III-V.
Las instalaciones, radicadas en el Edificio I+D+i de la Universidad de Salamanca, disponen de una Sala Blanca de 120m2 y 150m2 para laboratorios de fabricación, caracterización e instrumentación.
Además de la actividad de investigación, entre sus objetivos también figura dar servicio en nanotecnología, procesado y caracterización a la comunidad científica y tecnológica regional, española e Internacional.
