Investigadores de la USAL avanzan en el diseño de dispositivos energéticamente eficientes

Un consorcio investigador de la Universidad de Salamanca y la Universidad Complutense de Madrid, en colaboración con el Instituto Nacional de Ciencia de Materiales de Japón (NIMS), ha conseguido un hallazgo sobre el comportamiento de los electrones en grafeno que supone un avance en la investigación y el diseño de dispositivos energéticamente eficientes.

"En la mayoría de los materiales conductores, la principal resistencia eléctrica proviene de las interacciones de los electrones con impurezas, defectos o con la red cristalina del material a través de los fonones. Al aumentar la temperatura, las interacciones se hacen más intensas, aumenta la resistencia y, por consiguiente, también la energía disipada en forma de calor. Sin embargo, en ciertas condiciones, los electrones se mueven con una facilidad excepcional, similar a un fluido común. Un efecto conocido como 'conducción superbalística' que implica: reducción de la resistencia eléctrica al aumentar la temperatura y el fenómeno exótico de transporte hidrodinámico de los electrones", explican desde la USAL.

Un hallazgo que, en palabras de Enrique Diez, catedrático del Departamento de Física Fundamental y director del Grupo de Nanotecnología NANOTECH de la USAL, participante en la iniciativa, "facilitará la ejecución de efectos superbalísticos controlados y favorecerá el avance en la investigación y diseño de dispositivos energéticamente eficientes".

Sobre los antecedentes históricos del novedoso trabajo, titulado 'Superballistic Conduction in Hydrodynamic Antidot Graphene Superlattices' y que acaba de ser publicado por la reconocida revista Physical Review X, de la American Physical Society, Enrique Diez recuerda como en 1963 el distinguido científico R. Gurzhi, conocido por sus contribuciones fundamentales a la física del estado sólido, propuso que en metales ultrapuros con muy pocas impurezas se podía encontrar un inesperado descenso de la resistencia eléctrica al aumentar la temperatura debido a un régimen de transporte conocido como flujo hidrodinámico o flujo viscoso.

En él, son las colisiones electrón-electrón las que determinan principalmente la resistencia eléctrica, pudiendo reducirse la misma incluso respecto a valores obtenidos a temperaturas ultrabajas. Esto permitiría "la conducción de grandes corrientes eléctricas a menores resistencias eléctricas y, por lo tanto, permitir una mayor eficiencia energética al reducir las pérdidas por disipación en estos materiales", subraya.

Sin embargo, alcanzar el régimen propuesto por Gurzhi requiere de condiciones tan excepcionales que pasaron más de 60 años desde su propuesta teórica hasta que en 2017 el grupo de investigadores liderado por el premio Nobel Andrei Geim pudo fabricar dispositivos con una serie de constricciones nanométricas, en muestras de grafeno, que mostraron una dependencia de la resistencia con la temperatura como la indicada por Gurzhi.

Al respecto de esto, los físicos del Grupo NANOTECH de la USAL destacan que, "para poder inducir un régimen hidrodinámico en la conducción de un material, al igual que pasa con los fluidos, es necesario que el movimiento de los electrones sea muy turbulento". Las excepcionales propiedades del grafeno, combinadas con las constricciones, "inducen un efecto parecido al que ocurre en una autopista de varios carriles cuando se pasa de repente a un solo carril, lo que provoca sin duda un tráfico denso y turbulento", comparan.

Ha sido ahora cuando el consorcio científico de la USAL y la UCM ha encontrado una forma novedosa y alternativa de alcanzar el régimen hidrodinámico. Para ello, el Grupo de Nanosistemas Cuánticos de Madrid simuló formas alternativas de inducirlo en grafeno determinando que una red de agujeros sería la forma idónea de conseguirlo.

Por su parte, los investigadores del Grupo de Nanotecnología de Salamanca, fueron los encargados de fabricar estas superredes de agujeros en muestras de grafeno de alta calidad, encapsuladas entre capas de nitruro de boro hexagonal (hBN) proporcionadas por los investigadores del NIMS en Japón.

Así, las muestras fueron fabricadas y caracterizadas con diversas medidas y experimentos en los laboratorios del Grupo de Nanotecnología en Salamanca. Y, ahora, las medidas de la resistencia eléctrica con respecto a la temperatura han mostrado que, cuando el tamaño de los agujeros es de 100 nanómetros, estos efectos hidrodinámicos se intensifican enormemente, demostrando la conveniencia de este novedoso diseño para generar dispositivos turbulentos.

Gracias a la enorme cantidad de datos experimentales recogidos por la USAL y a su comparación con las simulaciones la UCM, se ha logrado "avanzar en el conocimiento de este esquivo régimen de transporte, encontrando, además, efectos inesperados, como un efecto superbalístico regulado por el campo magnético externo, que deberá estudiarse con más detalle en los próximos años", inciden.

Asimismo, la observación del régimen hidrodinámico en superredes de agujeros en grafeno abre un amplio campo para optimizar este tipo de dispositivos, buscando nuevas geometrías y materiales que permitan reducir aún más su resistencia eléctrica y faciliten que esta tecnología pase del laboratorio a dispositivos de aplicación en la vida cotidiana.

GRAFENO

Sobre las cualidades del grafeno y su empleo para la investigación recién publicada, Mario Amado miembro de NANOTECH y director de la investigación en los laboratorios de la USAL, destaca del mismo que es un material inerte y a la vez vivo, "es biocompatible, es tuneable, podemos hacer que tenga la densidad de electrones que queramos. Podemos acoplar dos capas de grafeno y generar superconductores o aislantes. Podemos acoplarlo con otros materiales 2D, es un lego", refiere.

Además, al ser un material bidimensional, "es muy susceptible a todos los cambios que pueda tener cuando se apila con otros tipos de materiales, en este caso con las muestras de nitruro de boro hexagonal (hBN) facilitadas por nuestros colegas japoneses, para que mejore sus propias capacidades y/o que mejore sus propiedades eléctricas".

Concretamente, en este trabajo lo que "hemos estado haciendo es estudiar el transporte hidrodinámico de electrones en grafeno. Ver cómo puede cambiar el paso de la corriente eléctrica en estructuras de grafeno. Un material bidimensional al que le hemos dado una morfología, un tallaje único".

Sobre ello, Diez recalca que la consecución por parte de su grupo de investigación del efecto, visto muy pocas veces en grafeno y en el que han podido demostrar que se puede llevar a densidades tan altas como se comportaría un fluido viscoso, ha sido posible gracias, precisamente, a la geometría particular utilizada por los físicos de la USAL en la experimentación, "que ha hecho que se vea de forma muy llamativa y convierte al trabajo en un desarrollo importante por sus posibles numerosas aplicaciones, sobre todo orientadas a reducir el consumo energético de los dispositivos".

No obstante, a pesar de que naturalmente se puede encontrar grafeno en todos los sitios, "necesitamos de una tecnología para su correcto procesamiento y a partir de ello desarrollar un facilitador como un microchip, por ejemplo". Aunque la comunidad científica está trabajando en ello, un aspecto aún no resuelto radica en la imposibilidad de su fabricación masiva y de forma barata, "de ahí que todavía no se emplee en muchas más aplicaciones, aunque su uso en la investigación y sus bondades para la generación de conocimiento es increíble", concluye.