(Phys.org) —Os elétrons individuais no grafeno não têm massa, mas quando eles se movem juntos, é uma história diferente. Grafeno, uma folha de carbono de um átomo de espessura, tomou o mundo da física de assalto - em parte, porque seus elétrons se comportam como partículas sem massa. No entanto, esses elétrons parecem ter dupla personalidade. Fenômenos observados no campo da plasmônica grafeno sugerem que, quando os elétrons se movem coletivamente, eles devem exibir massa.

Após dois anos de esforço, pesquisadores liderados por Donhee Ham, Gordon McKay Professor de Engenharia Elétrica e Física Aplicada na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas de Harvard (SEAS), e seu aluno Hosang Yoon, Ph.D.'14, mediram com sucesso a massa coletiva de elétrons 'sem massa' em movimento no grafeno.

Ao lançar luz sobre as propriedades cinéticas fundamentais dos elétrons no grafeno, esta pesquisa também pode fornecer uma base para a criação de circuitos miniaturizados com minúsculos, componentes baseados em grafeno.

Os resultados das medições complexas de Ham e Yoon, realizado em colaboração com outros especialistas da Universidade de Columbia e do Instituto Nacional de Ciência de Materiais do Japão, foram publicados online em Nature Nanotechnology .

"O grafeno é um material único porque, efetivamente, elétrons individuais de grafeno agem como se não tivessem massa. O que isso significa é que os elétrons individuais sempre se movem a uma velocidade constante, "explica Ham." Mas suponha que aplicamos uma força, como um campo elétrico. A velocidade dos elétrons individuais ainda permanece constante, mas coletivamente, eles aceleram e sua energia total aumenta - assim como entidades com massa. É muito interessante. "

Sem esta massa, o campo da plasmônica de grafeno não pode funcionar, então a equipe de Ham sabia que tinha que estar lá, mas até agora, ninguém o havia medido com precisão.

“Uma das maiores contribuições deste trabalho é que se trata de uma medição extremamente difícil, "diz Ham.

Como dita a segunda lei de Newton, uma força aplicada a uma massa deve gerar aceleração. Yoon e Ham sabiam que se pudessem aplicar um campo elétrico a uma amostra de grafeno e medir a aceleração coletiva resultante dos elétrons, eles poderiam então usar esses dados para calcular a massa coletiva.

Mas as amostras de grafeno usadas em experimentos anteriores estavam repletas de imperfeições e impurezas - lugares onde um átomo de carbono estava faltando ou tinha sido substituído por algo diferente. Nessas experiências anteriores, os elétrons se acelerariam, mas se espalhariam rapidamente ao colidir com as impurezas e imperfeições.

"O tempo de espalhamento era tão curto nesses estudos que você nunca conseguia ver a aceleração diretamente, "diz Ham.

Para superar o problema de espalhamento, várias mudanças inteligentes foram necessárias.

Primeiro, Ham e Yoon uniram forças com Philip Kim, um professor de física em Columbia que ingressará no corpo docente de Harvard em 1º de julho como Professor de Física e Física Aplicada. Graduado em Harvard (Ph.D. '99), Kim é bem conhecido por seus estudos fundamentais pioneiros do grafeno e sua experiência na fabricação de amostras de grafeno de alta qualidade. A equipe agora foi capaz de reduzir o número de impurezas e imperfeições imprensando o grafeno entre as camadas de nitreto de boro hexagonal, um material isolante com uma estrutura atômica semelhante. Ao colaborar também com James Hone, um professor de engenharia mecânica na Columbia, eles projetaram uma maneira melhor de conectar as linhas de sinal elétrico ao grafeno imprensado. E Yoon e Ham aplicaram um campo elétrico em uma frequência de micro-ondas, que permite a medição direta da aceleração coletiva dos elétrons na forma de um atraso de fase na corrente.

"Fazendo tudo isso, traduzimos a situação de completamente impossível para estarmos à beira de ver a aceleração ou não, "diz Ham." No entanto, a dificuldade ainda era muito assustadora, e Hosang [Yoon] tornou tudo isso possível realizando engenharia e medições de micro-ondas muito finas e sutis - uma peça formidável de experimentação. "

"Para mim, foi um momento vitorioso que finalmente justificou um esforço de longo prazo, passando por várias tentativas e erros, "diz Yoon, autor principal do artigo em Nature Nanotechnology . "Até então, Eu nem tinha certeza se o experimento seria realmente possível, então foi como um momento 'através das trevas vem a luz'. "

A massa coletiva é um aspecto fundamental para explicar os comportamentos plasmônicos no grafeno. Ao demonstrar que os elétrons do grafeno exibem uma massa coletiva e medindo seu valor com precisão, Yoon diz, "Achamos que vai ajudar as pessoas a entender e projetar dispositivos plasmônicos mais sofisticados com grafeno."

Os experimentos da equipe também revelaram que, no grafeno, a indutância cinética (a manifestação elétrica da massa coletiva) é várias ordens de magnitude maior do que a outra, propriedade muito mais comumente explorada chamada indutância magnética. Isso é importante na busca por circuitos eletrônicos cada vez menores - o tema principal dos circuitos integrados modernos - porque significa que o mesmo nível de indutância pode ser alcançado em uma área muito menor. Além disso, Ham e Yoon dizem que este indutor cinético à base de grafeno em miniatura poderia permitir a criação de um indutor controlado por tensão de estado sólido, complementar ao capacitor controlado por tensão amplamente utilizado. Pode ser usado para aumentar substancialmente a faixa de sintonia de frequência de circuitos eletrônicos, que é uma função importante nas aplicações de comunicação.

Por enquanto, o desafio continua a ser melhorar a qualidade das amostras de grafeno para que os efeitos prejudiciais do espalhamento de elétrons possam ser ainda mais reduzidos.