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"Carbón, la base de todas las forma de vida conocidas en la tierra, nos ha sorprendido de nuevo”, apuntaba el sitio web del Premio Nobel hace un par de años. La simbólica frase reconocía en ese entonces la labor de los físicos rusos Andre Geim y Konstantin Novoselov por "sus experimentos innovadores en el material bidimensional llamado grafeno".

Y es justo esta perfecta red cristalina, con una dureza y delgadez excepcionales, la que ha mantenido ocupado a José Eduardo Barrios Vargas, estudiante del IFUNAM quien muy pronto obtendrá el grado de Doctor por estudiar los cambios en las propiedades de transporte electrónico en grafeno al desordenar esta red, expuestos durante el Seminario de Estudiantes el 15 de octubre bajo el título "Transporte electrónico en grafeno con desorden".

Pese a tratarse de un material tecnológicamente viable debido a su alta conductividad térmica y eléctrica, José Eduardo explica que en su estado puro, no es posible manipular sus electrones por campos eléctricos. Y eso es un problema porque "toda la electrónica que actualmente funciona en los procesadores se basa en el efecto FET (transistores de efecto de campo)".

En estos transistores, la señal de entrada crea un campo eléctrico y controla el paso de corriente a través del dispositivo. Precisamente, la problemática del grafeno puro se centra en dos cuestiones: por un lado es un material semi-metálico (es decir, no tiene una brecha energética que es importante para determinar la conductividad eléctrica de un sólido) y, por otro, sus portadores de carga, que se comportan como partículas relativistas (o libres, como si no tuvieran masa), no pueden "frenarse" por una barrera, y esta resulta ser una función importante dentro de los transistores, ya que estos deben ser controlados con una especie de llave (on/off).

Varios investigadores intentan resolver el asunto de la manipulación electrónica del grafeno a través de distintas técnicas (nanolistones, bicapas o defectos topológicos que surgen al perforar la red) pero todas, hasta ahora, presentan complicaciones desde el punto de vista experimental.

Lo que hace José Eduardo, junto con Gerardo García Naumis, investigador del IFUNAM y tutor de la investigación, fue intentarlo a partir de otra estrategia: el desorden. Desordenar el grafeno a través de impurezas les permite producir un material semiconductor con la capacidad suficiente para controlar el flujo de electrones.

Los investigadores 'esculpieron' el desorden al colocar átomos distintos en diferentes sitios mediante la perturbación del Hamiltoniano de amarre fuerte, que considera sólo la interacción de un electrón con toda la red, es decir, con todos los átomos de carbono que están en la red. Y se dedicaron a observar cómo se mueve el electrón de forma local.

"Gran parte del trabajo es tener la hoja de grafeno y repartir esos átomos (distintos) aleatoriamente en la red y ver cómo se va modificando la función de onda (es decir, como se distribuye la partícula a lo largo de la red)", resumió para noticias IFUNAM.

La imagen muestra la amplitud de la función de onda de la red de grafeno sin y con impurezas. Imagen: J.E. Barrios.

Este tipo de desorden ya es popularmente conocido, sin embargo, lo que sucede después de “insertar” impurezas en grafeno no es tan comprendido, pues lo que se manifiesta a continuación es la aparición de estados cerca de la energía de Fermi de la red sin impurezas (energía del nivel más alto ocupado), es decir, una especie de “chipotito” cerca de dicha energía, conocido como estados resonantes.

"No quisimos quedarnos con ese efecto de poner impurezas y encontrar estados resonantes que parecen estar localizados. Lo que nos interesaba era describir esos estados, cómo son, qué propiedades tienen, qué efecto tienen en el conductividad”, agregó.

Parte importante de los resultados del proyecto doctoral muestran que la localización de estos estados también está relacionada con la manera en la que se va acomodando la función de onda a medida que las impurezas son "insertadas".

"La función de onda va a tender a esquivar (las impurezas), pero al mismo tiempo que esquiva, también se 'frustra' porque no se puede acomodar de forma tal que esté extendida en toda la red", por lo tanto, "la frustración se incrementa debido a las impurezas", expuso el investigador.

Finalmente, agregó que pese a tratarse de un tema que ha adquirido gran auge los últimos años, aún queda mucho por investigar en el campo, especialmente en la modificación de las propiedades electrónicas.

Barrios en el Seminario de Estudiantes, 15 de octubre del 2012. Foto: Pedro Zaldívar Sánchez.