NeoFronteras

Electrones relativistas en grafeno

Área: Física — viernes, 18 de noviembre de 2005

Foto
Grafeno. Foto: Chris Ewels.

Dos equipos de físicos han descubierto unas propiedades exóticas en láminas de grafito. Los electrones en este material se mueven a velocidad relativista “como si no tuvieran masa”. Además han observado un valor mínimo para la conductividad eléctrica y un inusual Efecto Hall cuántico.
El año pasado un equipo británico y ruso descubrió cómo hacer láminas de grafeno. El método consistía en pegar una cinta adhesiva sobre un trozo de grafito (el material de nuestros lapiceros) y despegarlo con cuidado. De este modo se desprendían el grafeno, que quedaba adherido en la cinta. El grafeno consiste pues en láminas monocapa de grafito compuestas de átomos de carbono.
Ahora André Geim y sus colaboradores de Manchester, Chernogolovka y Holanda e independientemente Philip Kim y sus colaboradores de Columbia University han explorado las propiedades electrónicas de este material descubriendo que es un excelente conductor.
Los electrones en el grafeno se comportan como partículas relativistas moviendose a una velocidad cuatrocientas veces inferior a c, la velocidad de la luz. Aunque esta velocidad es muy inferior a los 300.000 Km/s de la velocidad de la luz es suficiente para exhibir comportamientos relativistas, y es muy superior a la velocidad usual de los electrones en un conductor al uso. Los electrones mantienen esta velocidad incluso a muy bajas temperaturas comportándose como si no tuviesen masa en reposo. Para poder estudiar la física de estos electrones es necesario utilizar la ecuación de Dirac para fermiones sin masa.
Ambos equipos han observado un nuevo efecto Hall cuántico semientero que es el análogo relativista al convencional efecto Hall cuántico observado en semiconductores.
El efecto Hall cuántico se observa cuando se mide una corriente que atraviesa un material semiconductor al que se le aplica un intenso campo magnético.
Además han encontrado que la conductividad eléctrica de este material no decae por debajo de un valor mínimo incluso cuando no hay electrones libres en el grafeno. Este resultado es completamente contraintuitivo pues en cualquier otro material la conductividad eléctrica desaparece cuando no hay cargas.
Estos resultados muestran que el grafeno no es otro material novedoso sin más.
Quizás se puedan crear nuevos dispositivos electrónicos con este material. Además, estas sorpresas prometen incluso que se pueda estudiar la electrodinámica cuántica en un dispositivo electrónico simple al alcance de un lápiz.

Referencia: Nature 438 197 and 201.

Salvo que se exprese lo contrario esta obra está bajo una licencia Creative Commons.
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4 Comentarios

  1. lluís:

    ¿Existen en la naturaleza fermiones sin masa?, ¿o es una construcción matemática?

  2. NeoFronteras:

    ¡Cuidado!, el texto “como si no tuvieran masa” está entrecomillado y hace referencia a que se comportan de manera similar a unas partículas sin masa o masa muy baja. No se dice que no la tengan.
    Téngase en cuenta que los fotones viajan a la velocidad de la luz precisamente por carecer de masa.
    En cuanto a la Física de Estado Sólido sólo añadir que se pueden describir todo tipo de “pseudopartículas” extrañas en los materiales y que no tienen existencia real en el vacío.

  3. lluís:

    Sí, es verdad se me paso por alto el entrecomillado, seguramente me puse nervioso al leer eso, ya que todos los fermiones que conozco tienen masa-. A decir verdad ya me picó la curiosidad eso de “electrones relativistas” la cosa está clara cuando lees que es en el grafeno, y como se dice en su comentario, son los fotones los que al carecer de masa viajan a la velocidad de la luz en el vacío.

  4. NeoFronteras:

    No sé particularmente en este caso, pero en Física de Estado Sólido a veces se introduce la masa efectiva de las partículas que puedan circular por la red cristalina. Es un truco teórico, pero permite describir mejor ciertos fenómenos.
    En la supuesta fusión fría pretendían precisamente justificar el fenómeno mediante ese mecanismo y una supuesta mayor masa efectiva de los electrones. Pero la masa efectiva nunca es la masa real.

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