Em um recente Comunicações da natureza Artigo, os pesquisadores exploraram como os campos elétricos fortes influenciam o comportamento dos elétrons no grafeno, descobrindo efeitos de não-quilíbrio normalmente associados à física de alta energia.
Utilizando técnicas avançadas de imagem nano-infravermelha, o estudo examinou como os fenômenos como a emissão de fonon Cherenkov e a geração de pares de pares de elétrons do tipo Schwinger se manifestam em sistemas de grafeno bidimensionais.
Crédito da imagem: koya979/shutterstock.com
Fundo
As propriedades eletrônicas, ópticas e mecânicas excepcionais do grafeno o tornam uma plataforma privilegiada para o estudo de fenômenos quânticos e clássicos, particularmente sob condições de não equilíbrio. Quando expostos a altos campos elétricos, os elétrons em grafeno aceleram a velocidades onde novos regimes físicos se tornam acessíveis.
Esse cenário atrai paralelos com efeitos conhecidos na física de alta energia. O efeito Schwinger prevê que campos elétricos intensos podem levar à criação espontânea de pares de orifícios de elétrons, enquanto a emissão de Cherenkov descreve a radiação liberada por partículas carregadas se movendo mais rápido que a velocidade de fase de um meio.
No grafeno, esses conceitos emergem na forma de multiplicação de portadores, amortecimento plasmônico e dissipação de energia através da emissão de fônonos. Pesquisas anteriores observaram efeitos relacionados, como geração de transportadores quentes e respostas fotocorrentes, embora o mapeamento espacial detalhado desses comportamentos tenha permanecido desafiador.
O estudo atual
A configuração experimental é construída em torno de um sistema avançado de imagem nano-infravermelho projetado para operar sob temperaturas criogênicas e condições de vácuo ultra-alto. A técnica primária combina a varredura de campo próximo Microscopia óptica (SNOM) com nanoscopia fotocorrente, ativada por uma ponta de microscopia de força atômica revestida com platina-silicida (AFM). Essa ponta nítida aumenta o campo eletromagnético native e desmodula sinais ópticos na nanoescala.
Um laser em cascata quântico de infravermelho médio, sintonizado em uma frequência específico, é usado como fonte de luz para excitar os polaritons plasmônicos dentro da amostra de grafeno. Para preservar a alta mobilidade de portadores e minimizar o distúrbio ambiental, o grafeno é encapsulado entre camadas de nitreto de boro hexagonal (HBN). Essas fitas de grafeno encapsuladas, aproximadamente 2 micrômetros de largura, são fabricadas em substratos de silício ou grafite, que atuam como portões eletrostáticos para controle preciso sobre a densidade do transportador.
A preparação da amostra envolve esfoliar o grafeno de monocamada e transferi-lo deterministicamente para o HBN usando um método baseado em polímeros. A heteroestrutura resultante é padronizada usando litografia por feixe de elétrons e gravura de íons reativos para definir as geometrias da fita. Os contatos de cromo e ouro são adicionados para ativar as medidas elétricas e as medidas de fotocorrentes. O dispositivo preenchido está alojado em um criostato mantido a aproximadamente 30 Okay, o que garante estabilidade térmica e suporta o transporte de elétrons balísticos – condições de chave para investigar efeitos quânticos delicados.
O sistema nano-infravermelho usa um esquema de detecção de pseudo-heterodina, onde a ponta do AFM atua como uma sonda de campo próximo e um desmodulador para a luz dispersa. Os sinais ópticos coletados são processados por um detector sensível, enquanto os sinais de fotocorrentes são registrados em paralelo. Essa capacidade de detecção dupla permite a geração de mapas espacialmente resolvidos que revelam a resposta óptica native e o comportamento eletrônico do materials.
Resultados e discussão
Os experimentos revelaram assimetrias distintas no amortecimento plasmônico quando uma corrente de polarização foi aplicada ao grafeno dopado. Os plasmons que se propagam ao longo da direção do fluxo de elétrons experimentaram um amortecimento diferente em comparação com aqueles que se movem contra ele.
Essa assimetria é consistente com a emissão de fonon Cherenkov, onde os elétrons se movem mais rápido que os modos de fonon acústicos liberam energia by way of emissão de fonon. O resultado é aquecimento localizado e amortecimento plasmônico aprimorado ao longo de direções específicas.
As imagens nano-infravermelhas de alta resolução mostraram margens de interferência clara, com taxas de amplitude e amortecimento fortemente dependentes da direção e magnitude da corrente aplicada. Esses resultados apóiam a interpretação de que a deriva de elétrons induz a dissipação de energia direcional através da emissão de fônonos.
Além disso, os pesquisadores observaram aprimoramentos de fotocorrentes e reversões de polaridade sob fortes condições de polarização – características que não puderam ser totalmente explicadas pelos modelos tradicionais termoelétricos ou bolométricos. Em vez disso, os dados sugerem que o bloqueio native induzido por ponta modula a emissão de fônonos, aumentando o efeito Cherenkov em pontos localizados. Esse efeito resulta em geração de fotocorrentes que reflete a atividade do fônon subjacente, oferecendo um novo mecanismo para conversão de luz a corrente.
Perto do ponto de neutralidade da carga (CNP), a equipe registrou picos e quedas acentuadas em fotocorrer, não relacionadas ao transporte de transportadoras clássicas. Essas características alinhadas com previsões teóricas do efeito Schwinger, onde campos elétricos intensos causam criação espontânea de pares de elétrons-orifícios.
A natureza dependente de portão e viés dos sinais suporta ainda essa interpretação. A coexistência de processos termoelétricos, bolométricos e acionados por quantum destaca a interação complexa de mecanismos que regem a dinâmica da transportadora no grafeno em condições de não-quilíbrio.
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Conclusão
Este estudo demonstra como os campos elétricos fortes aplicados ao grafeno podem ativar fenômenos físicos tradicionalmente associados à física de alta energia. A visualização direta da emissão de fonon do tipo Cherenkov e a produção de pares de elétrons do tipo Schwinger usando imagens nano-infravermelhas oferece novas idéias sobre a dinâmica não-quilibria em materiais bidimensionais.
Ao combinar o mapeamento de fotocorrente espacialmente resolvido com imagens ópticas de campo próximo, os pesquisadores mostraram que a resposta do grafeno à excitação de alto campo envolve dissipação de energia direcional, amortecimento plasmônico aprimorado e geração de fotocorrentes enraizada nos efeitos quânticos. Esses achados fornecem uma compreensão mais profunda do comportamento do grafeno em condições extremas e expandem as possibilidades de explorar o transporte quântico e a conversão de energia em sistemas de baixa dimensão.
Referência do diário
Dong Y., et al. (2025). A eletrodinâmica não-quilíbrio acionada por corrente no grafeno revelada por imagens nano-infravermelhas. Comunicações da natureza 16, 3861. Doi: 10.1038/s41467-025-58953-6, https://www.nature.com/articles/s41467-025-58953-6