(nota: algunos enlaces apuntan a la versión en inglés de la Wikipedia porque los conceptos están mejor explicados allí)
Conferencia de Pablo Jarillo-Herrero en la UPV que lleva por título «Grafeno: electrónica cuántica en la punta de un lápiz». La conferencia trata de las propiedades nanofísicas de este material, el grafeno, descubiertas hace apenas 5 años, y de sus posibilidades. El grafeno no es más que una lámina de grafito compuesta por átomos de carbono dispuestos en una sola capa.
Un minipunto menos ¡transparencias en powerpoint y encima usando Comic Sans! :-D
Empezamos para ver la escala de la que estamos hablando: milímetros, micrómetross (micras) y nanómetros. Elementos típicos de esta dimensión son los virus o el diámetro de una secuencia de ADN. Un nanómetro equivale a 10 átomos de hidrógeno. Y aunque parece imposible, ya se producen elementos a esta escala de forma artificial (cinta gecko –ver video– o en puertas lógicas en transistores, por ejemplo). Trabajar con átomos individuales es algo habitual. Pero en esta escala es necesario un enfoque multidisciplinar (física, química, biología e ingeniería).
El grafeno es una lámina formada por átomos de carbono. Dependiendo de cómo se organicen los átomos, podemos formar «esferas» llamadas fulerenos (0D), nanotubos (1D) o láminas (2D), que reciben el nombre de grafeno. Es el material más fino que existe (monoatómico) : 1 millón de veces más fino que una hoja de papel. Pero a pesar de su grosor, las láminas (y los tubos) pueden tener una dimensión de varios centímetros. La forma de crear la muestras es realmente simple (exfoliación): basta con coger polvo de grafito de la mina de un lápiz, se esparce sobre una cinta de celo; se pega y despega varias veces para separar las láminas. Esta cinta se coloca sobre una placa de sicilio y con un microscopio óptico (200x) puede verse directamente.
El carbono es un metal: es el más ligero y el más fuerte y al ser realmente un semimetal conduce mejor que que los mejores metales (incluso el oro) y no hay otro material con una movilidad electrónica más alta a temperatura ambiente. También es un buen conductor térmico y soporta densidades de corriente muy altas.
Pero tiene otras propiedades interesantes: es un material ambipolar y su estructura (bandas, distribución de electrones/huecos) puede controlarse aplicando campos electromagnéticos (ver una explicación en el programa de televisión «Placebus ¿ciencia o magia?»).
Todo comenzó en 2004, cuando se vio que podría hacerse litografías (imprimirse circuitos) sobre una placa de grafeno (Novoselov, 2004). Pero al año siguiente se descubrió también que los electrones se comportaban de forma distinta al resto de materiales (Novoselov, 2005). De hecho, su interacción sigue las ecuaciones de Dirac y no las ecuaciones de Schrödinger (se comportan como fermiones = partículas sin masa) y esto desató la «fiebre» del grafeno.
El grafeno son átomos de carbono en una red bidimensional hexagonal y su estructura cristalina forman una red triangular con una base de dos átomos. Y al calcular su estructura de bandas, es un semimetal y su superficie de Fermi se reduce a 6 puntos (viene dada por un cono -> cero gap-> punto de Dirac)
NOTA: dice que esto es una aproximación para bebés y a mi me cuesta entenderlo ¿tengo que preocuparme?
En la mecánica clásica y en la mecánica cuántica a bajas velocidades, la relación energía/momento es parabólica (ecuaciones de Newton y Schrödinger respectivamente). Pero cuando los objetos se mueven a velocidades próximas a la velocidad de la luz (mecánica cuántica relativista) las propiedades se rigen por la ecuación de Dirac y la relación entre energía/momento ya no es parabólica, sino lineal. Pero sólo se pueden estudiar a altas energías (acelerador de partículas en el CERN). El grafeno presenta estas mismas propiedades, pero a bajas energías (se mueven despacio). Así tenemos una nueva partícula sin masa (como los fotones y los fermiones): los electrones del grafeno.
Pablo está explicando un montón de estructuras que se pueden hacer con grafeno y sus propiedades. Toda esta nueva física puede dar lugar a anuevos dispositivos. Algunas aplicaciones inmediatas son la construcción de transistores, estructuras nanomecánicas (como resonadores y membranas) o nanosensores (detecta moléculas individuales). En el futuro un poco más lejano, puntos cuánticos (para qbits y computación cuántica sin que se produzca decoherencia tan rápidamente). Es una lámina completamente impermeable perfecta o permite también diseñar circuitos a nivel atómico.
Todavía no está disponible en vídeo de la conferencia (y no sé si estará). Mientras tanto, te dejo la entrevista que le hizo Adolfo Plasencia para su programa Tecnólopis. Para verla, pincha sobre la imagen (o descárgala usando el botón derecho del ratón)
Referencias a los artículos originales
K.S. Novoselov et al.: Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films.- En Science, vol. 306, núm. 5696, págs.: 666-669.- Octubre 2004.
K.S. Novoselov et al.: Two-Dimensional Gas of Massless Dirac Fermions in Graphene.- En Nature vol. 438, págs. 197-200.- Noviembre 2005.
