p (PhysOrg.com) - As bandas de energia de partículas complexas conhecidas como plasmarons foram vistas pela primeira vez por cientistas que trabalham com grafeno na Fonte de Luz Avançada. Sua descoberta pode apressar o dia em que essas folhas cristalinas de carbono com apenas um átomo de espessura possam ser usadas para construir computadores ultrarrápidos e outros eletrônicos, fotônico, e dispositivos plasmônicos em nanoescala. p Cientistas que trabalham na Advanced Light Source (ALS) no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia dos EUA descobriram novos detalhes impressionantes sobre a estrutura eletrônica do grafeno, folhas cristalinas de carbono com apenas um átomo de espessura. Uma equipe internacional liderada por Aaron Bostwick e Eli Rotenberg do ALS descobriu que partículas compostas chamadas plasmarons desempenham um papel vital na determinação das propriedades do grafeno.

p “As propriedades interessantes do grafeno são fenômenos coletivos, ”Diz Rotenberg, um cientista sênior da equipe ALS responsável pelo programa científico na linha de luz 7 do ALS, Onde foi realizado o trabalho. “A verdadeira estrutura eletrônica do grafeno não pode ser entendida sem a compreensão das muitas interações complexas dos elétrons com outras partículas.”

p Os portadores de carga elétrica no grafeno são elétrons negativos e buracos positivos, que, por sua vez, são afetados por plasmons - oscilações de densidade que se movem como ondas sonoras através do "líquido" de todos os elétrons do material. Um plasmaron é uma partícula composta, um portador de carga acoplado a um plasmon.

p “Embora os plasmarons tenham sido propostos teoricamente no final dos anos 1960, e evidências indiretas deles foram encontradas, nosso trabalho é a primeira observação de suas bandas de energia distintas no grafeno, ou mesmo em qualquer material, ”Rotenberg diz.

p Compreender as relações entre esses três tipos de partículas - portadores de carga, plasmons, e plasmarons - podem acelerar o dia em que o grafeno pode ser usado para “plasmonics” para construir computadores ultrarrápidos - talvez até mesmo computadores quânticos em temperatura ambiente - além de uma ampla gama de outras ferramentas e aplicativos.

p Grafeno estranho fica mais estranho

p “O grafeno não tem lacuna de banda, ”Diz Bostwick, um cientista pesquisador na linha de luz 7.0.1 e principal autor do estudo. “No diagrama de band-gap usual do grafeno neutro, a banda de valência preenchida e a banda de condução vazia são mostradas como dois cones, que se encontram em suas pontas em um ponto chamado cruzamento de Dirac. ”

p O grafeno é o único em que os elétrons próximos ao cruzamento de Dirac se movem como se não tivessem massa, viajando a uma fração significativa da velocidade da luz. Plasmons acoplam-se diretamente a essas cargas elementares. Suas frequências podem chegar a 100 trilhões de ciclos por segundo (100 terahertz, 100 THz) - muito maior do que a frequência da eletrônica convencional nos computadores de hoje, que normalmente operam em cerca de alguns bilhões de ciclos por segundo (alguns gigahertz, GHz).

p Plasmons também podem ser excitados por fótons, partículas de luz, de fontes externas. Fotônica é o campo que inclui o controle e o uso da luz para o processamento de informações; plasmons podem ser direcionados através de canais medidos em nanoescala (bilionésimos de um metro), muito menor do que em dispositivos fotônicos convencionais.

p E uma vez que a densidade dos portadores de carga elétrica do grafeno pode ser facilmente influenciada, é simples ajustar as propriedades eletrônicas das nanoestruturas de grafeno. Por essas e outras razões, diz Bostwick, “O grafeno é um candidato promissor para muito menor, dispositivos muito mais rápidos - dispositivos plasmônicos em nanoescala que mesclam eletrônicos e fotônicos ”.

p A imagem usual das bandas cônicas simples do grafeno não é uma descrição completa, Contudo; em vez disso, é uma imagem idealizada de elétrons "vazios". Não apenas os elétrons (e buracos) interagem continuamente entre si e com outras entidades, a imagem tradicional do band-gap falha em prever os plasmarons recém-descobertos revelados por Bostwick e seus colaboradores.

p A equipe relata suas descobertas e discute as implicações em "Observações de plasmarons em grafeno dopado quase autônomo, ”Por Aaron Bostwick, Florian Speck, Thomas Seyller, Karsten Horn, Marco Polini, Reza Asgari, Allan H. MacDonald, e Eli Rotenberg, na edição de 21 de maio de 2010 de Ciência , disponível online para assinantes.

p O grafeno é mais conhecido como as camadas individuais que compõem o grafite, a forma de grafite do carbono; o que torna o grafite macio e um bom lubrificante é que as camadas de um átomo deslizam facilmente umas sobre as outras, seus átomos estão fortemente ligados no plano, mas fracamente ligados entre os planos. Desde a década de 1980, folhas de grafeno foram enroladas em nanotubos de carbono ou esferóides de buckyball fechados. Os teóricos duvidaram por muito tempo que folhas únicas de grafeno poderiam existir, a menos que empilhadas ou fechadas sobre si mesmas.

p Então, em 2004, folhas únicas de grafeno foram isoladas, e o grafeno tem sido usado em muitos experimentos. Folhas de grafeno suspensas no vácuo não funcionam para o tipo de estudos eletrônicos que Bostwick e Rotenberg realizam na linha de luz ALS 7.0.1. Eles usam uma técnica conhecida como espectroscopia de fotoemissão de ângulo resolvido (ARPES); para ARPES, a superfície da amostra deve ser plana. O grafeno autônomo raramente é plano; na melhor das hipóteses, lembra um lençol amassado.

p Usando elétrons para desenhar imagens de partículas compostas

p “Uma das melhores maneiras de cultivar uma folha plana de grafeno é aquecendo um cristal de carboneto de silício, ”Rotenberg diz, “E acontece que nossos colegas alemães Thomas Seyller da Universidade de Erlangen e Karsten Horn do Instituto Fritz Haber em Berlim são especialistas em trabalhar com carboneto de silício. Conforme o silício recua da superfície, ele deixa uma única camada de carbono. ”

p Usando grafeno plano feito desta forma, os pesquisadores esperavam estudar as propriedades intrínsecas do grafeno pelo ARPES. Primeiro, um feixe de raios X suaves do ALS libera elétrons do grafeno (fotoemissão). Então, medindo a direção (ângulo) e a velocidade dos elétrons emitidos, o experimento recupera sua energia e impulso; o espectro dos elétrons emitidos cumulativos é transmitido diretamente para um detector bidimensional.

p O resultado é uma imagem das bandas eletrônicas criadas pelos próprios elétrons. No caso do grafeno, a imagem tem formato de x, um corte transversal através das duas bandas cônicas.

p “Mesmo em nossos experimentos iniciais com grafeno, suspeitamos que a distribuição ARPES não era tão simples quanto o de dois cones, modelo de elétron puro sugerido, ”Rotenberg diz. “Em baixa resolução, parecia haver uma distorção nas bandas no cruzamento de Dirac.” Porque não existe realmente um elétron vazio, os pesquisadores se perguntaram se essa imprecisão era causada por portadores de carga emitindo plasmons.

p “Mas os teóricos achavam que deveríamos ver efeitos ainda mais fortes, ”Diz Rotenberg, “E assim nos perguntamos se o substrato estava influenciando a física. Uma única camada de átomos de carbono repousando sobre um substrato de carboneto de silício não é o mesmo que grafeno independente. ”

p O substrato de carboneto de silício pode, em princípio, enfraquecer as interações entre as cargas no grafeno (na maioria dos substratos, as propriedades eletrônicas do grafeno são perturbadas, e os efeitos plasmônicos não podem ser observados). Portanto, a equipe introduziu átomos de hidrogênio que se ligaram ao carboneto de silício subjacente, isolar a camada de grafeno do substrato e reduzir sua influência. Agora, o filme de grafeno era plano o suficiente para estudar com ARPES, mas suficientemente isolado para revelar suas interações intrínsecas.

p As imagens obtidas pelo ARPES refletem na verdade a dinâmica dos buracos deixados para trás após a fotoemissão dos elétrons. O tempo de vida e a massa dos orifícios excitados estão fortemente sujeitos ao espalhamento de outras excitações, como fônons (vibrações dos átomos na rede cristalina), ou criando novos pares elétron-buraco.

p “No caso do grafeno, o elétron pode deixar para trás um buraco comum ou um buraco ligado a um plasmon - um plasmaron, ”Diz Rotenberg.

p Tomados em conjunto, as interações influenciaram dramaticamente o espectro ARPES. Quando os pesquisadores depositaram átomos de potássio no topo da camada de átomos de carbono para adicionar elétrons extras ao grafeno, a detailed ARPES picture of the Dirac crossing region emerged. It revealed that the energy bands of graphene cross at three places, nenhum.

p Ordinary holes have two conical bands that meet at a single point, just as in the bare-electron, non-interacting picture. But another pair of conical bands, the plasmaron bands, meets at a second, lower Dirac crossing. Between these crossings lies a ring where the hole and plasmaron bands cross.

p “By their nature, plasmons couple strongly to photons, which promises new ways for manipulating light in nanostructures, giving rise to the field of plasmonics, ” Rotenberg says. “Now we know that plasmons couple strongly to the charge carriers in graphene, which suggests that graphene may have an important role to play in the merging fields of electronics, fotônica, and plasmonics on the nanoscale.”