EL GRAFENO Y EL EFECTO HALL CUANTICO FRACCIONARIO

grafeno efecto hall¿Hay algo que no pueda hacer el grafeno? Sus propiedades son realmente extraordinarias y en parte por que se ha convertido en un tema “de moda” entre los físicos, el grafeno es noticia prácticamente todos los días. Miles de laboratorios alrededor del mundo se encuentran trabajando con este material, buscando aplicaciones prácticas (y patentes rentables) por lo que no es extraño que periódicamente se le descubran nuevas propiedades. Uno de los últimos hallazgos proviene de un equipo de físicos de EE.UU. (Universidad de Harvard ) y Alemania (Instituto Max-Planck de Física del Estado Sólido), liderados por Amir Yacoby, que ha descubierto en el grafeno lo que llaman “efecto Hall cuántico fraccionario” (FQHE, por fractional quantum Hall effect).
– Este efecto tiene lugar cuando los portadores de carga (básicamente electrones) se encuentran confinados en un espacio 2D y son atravesados perpendicularmente, a lo largo del eje Z, por un campo magnético. El grafeno, como ya hemos explicado alguna vez, es una retícula bidimensional de átomos, por lo que era un buen candidato para buscar en él este efecto. Cuando se induce una corriente a lo largo del eje X de esta malla, aparece una tensión -denominada tensión de Hall- en la dirección Y. A temperaturas muy bajas, esta tensión se cuantifica en etapas diferentes o estados Hall. El FQHE difiere del efecto Hall cuántico entero más conocido. Aparece como resultado de las interacciones fuertes que se producen entre los electrones, provocando que estos portadores de carga se comportan como cuasi-partículas, con una carga que es una fracción de la de un electrón. Estas cuasi-partículas de carga fraccionada  son las responsables del FQHE y, posiblemente, una característica muy útil para el desarrollo de futuros ordenadores cuánticos.

EL GRAFENO CONVIERTE LA LUZ EN ELECTRICIDAD

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Un equipo del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO), en colaboración con el Massachussets Institute of Techology de Estados Unidos, el Max Planck Institute for Polymer Research de Alemania y Graphenea S.L. de Donostia-San Sebastián, muestran en Nature Physics que el grafeno es capaz de convertir un fotón absorbido en múltiples electrones que pueden conducir corriente eléctrica.
Este prometedor descubrimiento convierte el grafeno en una importante alternativa para la tecnología de energía solar, actualmente basada en semiconductores convencionales como el silicio.
“En la mayoría de los materiales, un fotón absorbido genera un solo electrón, pero en el caso del grafeno hemos visto que un fotón absorbido es capaz de producir muchos electrones excitados, y por lo tanto una señal eléctrica mayor” explica Frank Koppens, líder del grupo de la investigación en ICFO.
Esta característica hace del grafeno el ladrillo ideal para la construcción de cualquier dispositivo que quiera convertir la luz en electricidad. En particular, permite la producción de potenciales células solares y detectores de luz que absorban la energía del sol con pérdidas mucho menores.
El experimento ha consistido en mandar un número conocido de fotones a diferentes energías sobre una capa fina de grafeno. “Hemos visto que los fotones de alta energía –por ejemplo, los de color violeta– inducen un mayor número de electrones excitados que los fotones de baja energía –por ejemplo, los infrarrojos–”, explica Klass-Jan Tielrooij, investigador del ICFO que ha realizado el experimento.
“En ambos casos siempre era igual o superior al número de fotones mandado –prosigue–. Esta relación nos muestra que el grafeno convierte la luz en electricidad con una eficiencia muy alta. Hasta ahora se especulaba que el grafeno tenía un gran potencial para convertir luz en electricidad, pero ahora hemos visto que es incluso mejor de lo esperado”.
Aunque aún hay algunos aspectos que los científicos están tratando de mejorar, como la baja absorción del número de fotones, el grafeno tiene el potencial de provocar cambios radicales en muchas tecnologías actualmente basadas en semiconductores convencionales.
El próximo reto
“Se sabía que el grafeno es capaz de absorber un espectro muy grande de colores de la luz. Sin embargo, ahora sabemos que una vez el material ha absorbido esta luz, la eficiencia de conversión de energía es muy alta. Nuestro próximo reto será encontrar formas para extraer la corriente eléctrica y mejorar la absorción del grafeno. Entonces seremos capaces de diseñar dispositivos de grafeno que detectan la luz de manera más eficiente, dando paso a células solares más eficientes “, concluye Koppens.
Todo parece indicar que en las próximas décadas se va a vivir un cambio de paradigma con el grafeno similar al que ocurrió con el plástico el siglo pasado. Móviles que se pliegan, placas solares trasparentes y flexibles, ordenadores muy delgados… se podrán desarrollar con grafeno.
Las industrias y autoridades están convencidos de su gran potencial para revolucionar la economía mundial. Tal es así que la Unión Europea acaba de comprometer una inyección de 1.000 millones de euros para su desarrollo.
Nature Physics, 24 de febrero de 2013.

PRIMERA TRANSMISIÓN DE INFORMACIÓN CUÁNTICA

Cada vez está más claro que el paso desde el procesamiento analógico de datos al digital no es el último que se dará en la tecnología de la información. En muchas partes del mundo, los físicos están investigando las posibilidades del procesamiento cuántico de la información. Aún es demasiado pronto para pronosticar si la computación cuántica cambiará nuestra rutina diaria tanto como lo ha hecho el procesamiento digital de la información, o si sólo se empleará en operaciones de alta importancia. Sin embargo, lo cierto es que la computación cuántica brinda posibilidades que no están al alcance de la tecnología digital convencional.
Un equipo de físicos en el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica en Garching, Alemania, es ahora el primero en haber conseguido transmitir información cuántica de modo controlado y reversible. Se podría decir, por tanto, que en algunos aspectos, la puerta hacia esta forma completamente nueva de transmitir información ya está abierta.
El equipo de Gerhard Rempe, en la División de Dinámica Cuántica del citado instituto, ha creado una red cuántica elemental, transmitiendo información cuántica entre dos átomos atrapados en resonadores ópticos.
La información cuántica tiene características fundamentalmente distintas a las de la información digital convencional con la que operan los ordenadores actuales y que se transmite a través de líneas telefónicas o cables de fibra óptica. Se espera que la computación cuántica permita procesar la información de manera más eficiente en algunas aplicaciones. Sin embargo, debe ser manejada con mucho cuidado para que no pierda su carácter cuántico.
Se han logrado transmitir bits cuánticos en forma de fotones individuales desde un átomo a otro a través de un cable de fibra óptica de 60 metros y almacenarlos de forma fiable en el átomo receptor. (Foto: © Andreas Neuzner / MPI of Quantum Optics)
Los físicos del equipo del citado instituto alemán son los primeros que han logrado transmitir bits cuánticos en forma de fotones individuales desde un átomo a otro a través de un cable de fibra óptica de 60 metros y almacenarlos de forma fiable en el átomo receptor. Esta configuración no sólo es adecuada para el intercambio de datos entre ordenadores, sino que en los próximos años podría permitir operaciones de computación mediante bits cuánticos.
La configuración también resulta idónea para permitir a los científicos profundizar en los entresijos del funcionamiento de la comunicación cuántica, y podría, en el futuro, dotar a los físicos de herramientas con las que investigar sistemas cuánticos que hoy en día todavía entraña muchos misterios.
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