Físicos alemanes filman por primera vez los electrones en el grafeno

Un equipo de físicos de la Universidad de Ratisbona y la Universidad Philipps de Marburgo ha captado cómo se mueven los electrones en el grafeno durante un único ciclo de una onda de luz. El trabajo, publicado en Nature, ofrece una visión directa de un proceso cuántico que hasta ahora era difícil de observar en tiempo real.

Cómo se hizo el experimento

El grafeno es una capa única de átomos de carbono dispuestos en forma de panal, apreciada por sus propiedades eléctricas, ópticas y mecánicas. En ciertas condiciones, sus electrones se comportan como si fueran partículas relativistas, lo que lo convierte en un buen banco de pruebas para fenómenos difíciles de ver en otros materiales.

Los investigadores emplearon pulsos intensos de luz infrarroja a 30 THz para poner los electrones en movimiento controlado. Después sondearon el material con pulsos ultracortos de radiación ultravioleta extrema y obtuvieron una serie de instantáneas de los cambios en la estructura electrónica. El método permite seguir el desplazamiento de los electrones y también los cambios en su distribución de energía y momento bajo un campo electromagnético fuerte.

El efecto túnel Landau-Zener-Majorana, a la vista

El logro principal es la visualización directa del efecto túnel Landau-Zener-Majorana (LZM). En este fenómeno cuántico, los electrones pasan de una banda de energía a otra bajo un campo eléctrico intenso. Una onda de luz lo bastante fuerte puede, por tanto, influir en el estado energético de un electrón e incluso llevarlo a otra banda.

En los datos, la distribución de electrones se desplaza primero en una dirección y luego se deforma hasta adoptar una forma alargada, elíptica. Con el tiempo aparecen efectos de dispersión que alteran su reparto en el material. La técnica abarca toda la primera zona de Brillouin, la región del espacio de momentos que describe el comportamiento de los electrones en un cristal, y amplía el rango observable más de cien veces respecto a lo anterior.

Por qué importa

Comprender mejor cómo la luz mueve a los electrones puede ayudar a diseñar nuevos dispositivos electrónicos y optoelectrónicos. Una de las vías más prometedoras es la electrónica de ondas de luz, en la que pulsos luminosos modelados controlarían señales y procesos electrónicos. En el futuro, esto permitiría circuitos con velocidades muy superiores a las de las soluciones tradicionales.