Observar las oscilaciones de un mar de electrones
Científicos observan y controlan ondas superficiales ultrarrápidas en el grafeno
Imagínese que está junto a un lago y lanza una piedra al agua. Las olas se extienden en patrones circulares y pueden reflejarse en obstáculos y límites. Investigadores de la Universidad de Ratisbona, en colaboración con colegas de Milán y Pisa, han recreado este fenómeno cotidiano en un fascinante mundo en miniatura: Han observado la propagación de las ondas, no en el agua, sino en un "mar de electrones", utilizando una de las cámaras a cámara lenta más rápidas de la nanoescala.
Estos mares de electrones suelen encontrarse en la superficie de metales o materiales con propiedades metálicas. En este caso, el material era grafeno, un material bidimensional compuesto por una sola capa de átomos de carbono. En lugar de una piedra, los científicos utilizaron pulsos de láser, enfocándolos sobre una punta metálica afilada situada justo encima de la superficie del material. "La luz pone en movimiento los electrones de la punta", explica Simon Anglhuber, del Instituto de Física Experimental y Aplicada de la UR. "Las oscilaciones resultantes ejercen una fuerza sobre los electrones del grafeno. Esto genera una onda circular de densidad electrónica que se propaga por el grafeno bajo la punta. La onda puede reflejarse en los bordes de la muestra y volver a la punta. Estas reflexiones pueden medirse ópticamente invirtiendo el proceso anterior y convirtiendo la onda de electrones en luz. Moviendo con precisión la punta sobre la muestra, los investigadores pudieron grabar una película que mostraba la oscilación de la onda en distintos puntos a lo largo del tiempo.
Análisis de alta precisión del movimiento de las ondas
La nueva técnica permite observar directamente la propagación de la onda de electrones tanto en el espacio como en el tiempo. Esto se ha conseguido con una resolución a escala nanométrica - relevante para las modernas tecnologías de semiconductores (1 nm = 10-9 m) - y una resolución temporal en el rango de los femtosegundos. En términos de resolución temporal, el método puede compararse con una cámara ultrarrápida a cámara lenta con una frecuencia de más de 10 billones de fotogramas por segundo (>10¹³ fps). El resultado es un análisis muy preciso del movimiento de las olas, incluida su velocidad, amortiguación y frecuencia, sin necesidad de complejas transformaciones computacionales. En particular, los investigadores observaron una distinción entre la propagación del centro de masa de la onda y la propagación de los picos y valles individuales de la onda. Midiendo con precisión estas dos velocidades, es posible inferir las propiedades del material a través del cual se propagan las ondas.
En sus experimentos, los investigadores compararon muestras de grafeno producidas por distintos métodos y hallaron diferencias significativas en la propagación de las ondas, que se relacionaron con variaciones en la calidad de las muestras. Se espera que estos hallazgos contribuyan al desarrollo de mejores muestras para su uso en dispositivos optoelectrónicos, como sensores de luz de alta sensibilidad. Sorprendentemente, el método también funciona para ondas de electrones muy amortiguadas en la llamada gama de terahercios e infrarrojo medio, una región espectral entre nuestra red 5G y la luz visible a la que ha sido difícil acceder hasta ahora.
Control ultrarrápido de las ondas superficiales
Como paso final, los investigadores utilizaron otro pulso láser para perturbar deliberadamente el mar de electrones en la muestra de grafeno mientras se propagaba la onda de electrones. Al incluir el segundo pulso láser, consiguieron debilitar selectivamente la onda. Esto no sólo permite observar las ondas y comprender el material en su forma estática, sino también controlar y alterar ultrarrápidamente las propiedades del material. Este control directo de las ondas de densidad electrónica podría ser un paso clave hacia el desarrollo de nuevos componentes electrónicos con velocidades de reloj más de mil veces superiores a las de la electrónica actual.
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Publicación original
Simon Anglhuber, Martin Zizlsperger, Eva A. A. Pogna, Yaroslav A. Gerasimenko, Anastasios D. Koulouklidis, Imke Gronwald, Svenja Nerreter, Leonardo Viti, Miriam S. Vitiello, Rupert Huber, Markus A. Huber; "Spacetime Imaging of Group and Phase Velocities of Terahertz Surface Plasmon Polaritons in Graphene"; Nano Letters, 2025-1-2
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