Investigadores de la Universidad de Ginebra (UNIGE) en Suiza y la Universidad de Manchester en el Reino Unido han encontrado una manera eficiente de controlar las ondas infrarrojas y de terahertz utilizando grafeno. “Existe una clase de los llamados materiales de Dirac, donde los electrones se comportan como si no tuvieran una masa, similar a las partículas de luz, los fotones“, explica Alexey Kuzmenko, investigadora del Departamento de Física de la Materia Cuántica en UNIGE. Facultad de Ciencias, quien co-dirigió esta investigación junto con Ievgeniia Nedoliuk.

La interacción entre el grafeno y la luz sugiere que este material podría usarse para controlar las ondas infrarrojas y de terahertz. “Eso sería un gran paso adelante para la optoelectrónica, la seguridad, las telecomunicaciones y los diagnósticos médicos“, señala el investigador con sede en Suiza.

Una teoría de 2006 planteó la hipótesis de que si un material de Dirac se coloca en un campo magnético, producirá una resonancia ciclotrónica muy fuerte. “Cuando una partícula cargada está en el campo magnético, se mueve en una órbita circular y absorbe la energía electromagnética en la frecuencia orbital o ciclotrón, como ocurre, por ejemplo, en el Gran Colisionador de Hadrones en el CERN“, explica Alexey Kuzmenko. “Y cuando las partículas tienen carga pero no masa, como electrones en el grafeno, ¡la absorción de la luz es máxima!

Para demostrar esta absorción máxima, los físicos necesitaron un grafeno muy puro para que los electrones que viajan largas distancias no se dispersen en las impurezas o defectos de los cristales. Pero este nivel de pureza y orden de celosía es muy difícil de obtener y solo se logra cuando el grafeno se encapsula en otro material bidimensional: el nitruro de boro.

Los investigadores de UNIGE se unieron al grupo de la Universidad de Manchester liderado por André Geim, ganador del Premio Nobel de Física 2010 por descubrir el grafeno, para desarrollar muestras de grafeno extremadamente puro. Estas muestras, que eran excepcionalmente grandes para este tipo de grafeno, eran sin embargo demasiado pequeñas para cuantificar la resonancia del ciclotrón con técnicas bien establecidas. Es por esto que los investigadores suizos construyeron una configuración experimental especial para concentrar la radiación infrarroja y de terahertz en pequeñas muestras de grafeno puro en el campo magnético. “¡Y el resultado del experimento confirmó la teoría de 2006!” añade Alexey Kuzmenko.

Los resultados demostraron por primera vez que un efecto magneto-óptico colosal ocurre de hecho si se usa una capa de grafeno puro. “La máxima absorción posible de la luz infrarroja se logra ahora en una capa monoatómica”, dice Kuzmenko.

Además, los físicos descubrieron que era posible elegir qué polarización circular (izquierda o derecha) debía ser absorbida. “El grafeno natural o intrínseco es eléctricamente neutro y absorbe toda la luz, independientemente de su polarización. Pero si introducimos portadores cargados eléctricamente, ya sea positivo o negativo, podemos elegir qué polarización se absorbe, y esto funciona tanto en el rango infrarrojo como en el terahertz, “Continúa el científico. Esta capacidad desempeña un papel crucial, especialmente en el campo farmacéutico, donde ciertas moléculas clave del fármaco interactúan con la luz dependiendo de la dirección de polarización. Curiosamente, este control se considera prometedor para la búsqueda de vida en exoplanetas, ya que es posible observar las firmas de la quiralidad molecular inherente a la materia biológica.

Finalmente, los físicos encontraron que para observar un fuerte efecto en el rango de terahertz, es suficiente aplicar campos magnéticos, que ya podrían ser generados por imanes permanentes de bajo costo. Ahora que la teoría ha sido confirmada, los investigadores continuarán trabajando en fuentes y detectores de terahertz y luz infrarroja ajustables magnéticamente.

Fuentes:

  1. https://phys.org/news/2019-07-on-demand-terahertz-infrared.html
  2. https://www.nature.com/articles/s41565-019-0489-8