Las posibilidades cuánticas del grafeno
Por Marytere Narváez
Mérida, Yucatán. 15 de octubre de 2015 (Agencia Informativa Conacyt).- Romeo de Coss Gómez, miembro del Sistema Nacional de Investigadores (SNI) nivel III, es investigador del Departamento de Física Aplicada de la Unidad Mérida del Centro de Investigación y Estudios Avanzados (Cinvestav) del Instituto Politécnico Nacional (IPN), donde lidera un grupo de posdoctorantes que trabajan en varios proyectos de investigación alrededor del grafeno.
En el marco del LVIII Congreso Nacional de Física, el equipo presentó alrededor de ocho trabajos sobre las aplicaciones en la computación cuántica y las aplicaciones en propiedades ópticas y electrónicas, siendo el investigador el responsable de impartir en la conferencia de clausura del evento los estudios realizados en la manipulación de los electrones en grafeno.
“El grafeno es una capa de átomos de carbono arreglados en forma hexagonal que tiene propiedades realmente extraordinarias que no posee ningún otro material, y todo esto tiene que ver con aspectos muy fundamentales de nuestros estados electrónicos, lo que nosotros hacemos es entender el origen de esas propiedades extraordinarias”, indicó De Coss Gómez en entrevista con la Agencia Informativa Conacyt.
Agencia Informativa Conacyt (AIC): ¿Cuáles son los antecedentes en el estudio del grafeno?
Romeo de Coss Gómez (RCG): El grafeno tuvo este nombre hasta 2004. Anteriormente se le llamaba una capa monoatómica de carbono, entre otros nombres que no eran tan concretos. A partir de 2004 empieza un estudio muy acelerado porque se descubren unas propiedades extraordinarias en el comportamiento electrónico del material que trae consigo una avalancha mundial del estudio del grafeno, de tal modo que hoy en día en países como Singapur y Reino Unido existen institutos dedicados únicamente al estudio del grafeno y a sus aplicaciones, para las que tiene mucho potencial.
En México ya se han financiado proyectos de investigación en esa dirección y estamos en este momento conformando una red nacional de colaboración sobre el tema de grafeno para tratar de acelerar y potenciar la investigación en el país, a raíz de un encuentro con investigadores en Mánchester.
Entre los grupos que existen actualmente en la república está el de la Universidad de Zacatecas, coordinado por el doctor Isaac Rodríguez, hay investigadores de la Facultad de Ciencias y el Instituto de Física de la Universidad Nacional Autónoma de México; en la Universidad de Nuevo León y en San Luis Potosí hay una investigadora que está haciendo cosas muy interesantes en la parte experimental para producir graneo a nanoescala; sin embargo, es un tema en el que aún hay mucho que avanzar en comparación con la actividad mundial.
AIC: ¿Cuál es su aplicación para la computación cuántica?
RCG: Estamos buscando cómo modular las propiedades del grafeno, cómo entonarlas, modificarlas a través de diferentes mecanismos físicos como puede ser añadir carga al sistema o retirar electrones, lo que en ambos casos llamamos 'dopaje', un término que tiene su origen en inglés y que todavía los físicos no encontramos la palabra más adecuada en español.
Por otro lado, tenemos otros parámetros como la tensión externa, podemos aplicar tensión sobre el material y con eso modular sus propiedades de tal modo que usando estos diferentes mecanismos físicos podemos entonar o modular las propiedades del material.
Todo esto lo hacemos de manera teórica, usando las computadoras como mecanismos para simular e intentar observar cómo sería el comportamiento del material en un experimento real. Hemos descubierto cosas muy interesantes, por ejemplo que este material podría ser útil para la creación de compuertas cuánticas. Las compuertas cuánticas, a su vez, tienen que ver con el tema de la computación cuántica, que apenas está emergiendo en la física y que en determinado momento reemplazará a la computación binaria convencional que usamos actualmente, pues cada vez requerimos mayor velocidad de procesamiento, queremos meter o hacer más transistores y por lo tanto más operaciones en un espacio más pequeño que está llegando a su límite.
Hemos estudiado la posibilidad de crear compuertas cuánticas que son entidades que nos van a permitir hacer operaciones cuánticas. Lo que se busca en este campo es conocer qué material puede facilitar las mejores condiciones, o cuál incluso puede generar la posibilidad de hacer esto; no cualquier material te lo permite, pues depende de sus cualidades. En nuestro caso, hemos encontrado desde un punto de vista teórico que cintas de grafeno podrían ser utilizadas para poder crear compuertas cuánticas. Lo que sigue en el camino es hacer la prueba de prototipos en laboratorios, como lo hacen los grupos experimentales.
AIC: ¿Cuáles son las características que posee el grafeno?
RCG: La característica que tiene el grafeno es una función a la que llamamos tunelamiento de cline, que tiene que ver con la forma en que se mueven los electrones dentro del grafeno, cuando haces pasar una corriente por este no se detiene si encuentra una barrera de potencial, los electrones logran cruzarla. A diferencia de un material convencional donde al encontrar una barrera de energía puede pasar un poco pero rebota principalmente, dependiendo del tamaño de la barrera, el grafeno tiene la capacidad contraria que permite que los electrones puedan estar en comunicación en puntos más distantes en un sistema cuántico, con poca pérdida de coherencia de la corriente eléctrica.
Básicamente es esta cualidad que nosotros hemos observado que podría ser muy útil para el diseño de compuertas cuánticas. La razón fundamental es que en un material convencional la energía del electrón que está en movimiento tiene una dependencia cuadrática con su momentum o con su vector de onda dependiendo como lo quieras ver. Depende, como una función cuadrática, como una parábola igual a ax2, aquí decimos “la energía es proporcional al momentum al cuadrado en un material convencional”.
En el caso del grafeno la relación entre la energía y su momentum tienen una relación lineal, lo que provoca que se cree una analogía donde los electrones en el grafeno se mueven como si fueran partículas relativistas pero sin ser relativistas, se mueven a velocidades normales, pero esta cualidad hace que tengan velocidades relativistas. Esta analogía o cualidad permite que puedan ser transparentes ante las barreras de potencial y poder conectar puntos muy distantes en una escala atómica. Obviamente en nuestra escala macro son distancias muy pequeñas, pero a escalas de los átomos son distancias grandes con poca pérdida de coherencia, lo que maximiza las posibilidades de una compuerta cuántica.
AIC: ¿Cómo funcionan el tiempo y la velocidad en el grafeno?
RCG: El tema del tiempo es un tema complejo para hacer una comparación, sabemos que la velocidad de la luz es lo que viaja más rápido en el universo, de 108 centímetros por segundo. En el caso del graneo es del orden de 105 o 106, que es muy alta comparada con materiales convencionales, aunque no llega a ser por nada cercano a la de la luz. Más que el tiempo, la velocidad de movimiento de los electrones del grafeno es el parámetro central, a lo que le llamamos movilidad más que velocidad, y en el grafeno se da la más alta de los materiales que conocemos hasta ahora.
AIC: ¿Cuáles son las aplicaciones estudiadas en la óptica de electrones?
RCG: Tenemos otra línea que busca usar el grafeno con tensión aplicada para poder conducir los electrones a nuestro antojo y poder hacer con el grafeno rutas o caminos por donde queremos que la carga electrónica se desplace. Esto es muy útil para un área emergente y novedosa llamada óptica de electrones.
Como si fueran rayos de luz, como cuando uno tiene fuentes de luz ―por ejemplo láser― y se quiere llevar por una fibra óptica a través de lentes o espejos que lo desvían hacia donde sea deseado, estamos observando que el grafeno podría hacer lo mismo para guiar electrones a donde queremos que lleguen. A partir de esto visualizamos que se podría crear lo equivalente a sistemas ópticos que en vez de luz, sea para electrones.
AIC: ¿Cómo es el trabajo con nanoestructuras basadas en grafeno?
RCG: En este caso no hablamos de una porción grande de grafeno sino que hablamos de pequeñas porciones o islas, y lo que hemos encontrado es que se puede modificar el color del material cambiando el radio o su tamaño. Esto puede servir para biomarcadores y para diferentes aplicaciones de sistemas bioluminiscentes activos. Nosotros trabajamos en la parte fundamental básica para saber cómo podemos manipular y qué tenemos que agregar o quitar al grafeno para poder poner al material en el color que nos interese o para la propiedad óptica particular que deseamos que tenga.
AIC: ¿Con quiénes realizan colaboraciones?
RCG: En la región tenemos colaboración con investigadores de la Universidad Autónoma de Yucatán (Uady) y de la Universidad Autónoma de Campeche (Uacam). En el país colaboramos con la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla (BUAP) y la Universidad Autónoma de Nuevo León (UANL). También tenemos colaboraciones en el extranjero, principalmente con Alemania y Estados Unidos.
En el mes de julio visitamos el National Graphene Institute de University of Manchester en una misión encabezada por el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (Conacyt) para buscar la posibilidad de generar convenios de colaboración, de tal manera que presentamos los trabajos que hemos realizado en México, escuchamos los trabajos de los colegas del Reino Unido y encontramos que hay puntos de interés común. Esto puede permitir que los grupos experimentales puedan comprobar los fenómenos que nuestro equipo ha descubierto a través de la teoría y la simulación computacional.
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