El grafeno, resuelve un problema investigado durante casi un siglo.

El ruido conocido en el mundo electrónico como “Ruido Rosa” (1/f Noise, Flicker Noise, Pink Noise), que se ubica dentro de las frecuencias audibles, ha sido durante 80 años un tema de estudio sin respuesta. La incógnita científica siempre fue conocer si se producía a nivel superficial de los semiconductores o en el volumen interior del material. Un ruido muy particular, presente en las cadenas de sonido y audible como el vacío entre emisoras de FM, ha desvelado a muchos hasta estos días en que investigadores de la Universidad de California utilizaron grafeno para estudiar este fenómeno y llegaron a una conclusión que termina con casi un siglo de misterio y falsas respuestas.

El trabajo dirigido por Alexander Balandin, profesor de Ingeniería Eléctrica en Riverside, fue publicado en  el boletín del American Institute of Physics y en él explica cómo el equipo a su cargo utilizó el grafeno para resolver el enigma que desvela a los investigadores desde que fue descubierto en los tubos de vacío, en 1925. Desde entonces, se lo ha encontrado en múltiples lugares como los amplificadores de audio, los electrocardiogramas, los transistores, circuitos integrados y muchos lugares en que se puede llegar a detectar (y a generar múltiples inconvenientes de diseño), donde la densidad espectral es inversamente proporcional a la frecuencia. La importancia del estudio y control de este ruido dentro de la electrónica es de fundamental relevancia en el mundo de la radiofrecuencia. La sensibilidad de un radar, un teléfono inteligente o cualquier receptor se ha encontrado siempre ligada a este fenómeno, que nunca tuvo una explicación cierta y clara sobre su generación y propagación. Para algunos sucedía en las capas superficiales de los materiales mientras que para otros lo hacía en el volumen interior de los elementos.

El profesor Alexander Balandin, encargado del equipo de investigación.

Un equipo de investigadores del Rensselaer Polytechnic Institute (RPI) de la Universidad de California, junto a un grupo del Ioffe Physical-Technical Institute de la Academia de Ciencias de Rusia fueron capaces de arrojar luz sobre el origen del “ruido 1/f” utilizando un conjunto de capas múltiples de grafeno, variando el espesor del mismo desde 15 planos atómicos hasta llegar a una única capa. Vale recordar que el grafeno se presenta como un cristal de carbono de un solo átomo de espesor, con propiedades que incluyen (entre otras) la conductividad eléctrica y calórica, la resistencia mecánica y la absorción óptica. "La clave de este resultado interesante fue que, a diferencia de lo que ocurre con las películas de metal o de semiconductor, el espesor de las capas múltiples de grafeno pueden ser continuas o uniformemente variadas hasta un mínimo de una sola capa atómica”, mencionó Balandin. "Por lo tanto, hemos sido capaces de lograr, con múltiples capas de grafeno, películas de diferentes espesores, algo que los investigadores no podían ver con las películas de metal en el siglo pasado". Además, agregó que los estudios previos no pudieron probar películas metálicas o de semiconductores con espesores por debajo de 8 nanómetros, mientras que el espesor de grafeno es de 0,35 nanómetros y se puede aumentar gradualmente, de a un plano atómico a la vez.

La densidad espectral del ruido se muestra en 3 ensayos con diferente cantidad de capas de grafeno

Luego de un importante y extenso estudio, se encontró que el “ruido 1 / f” es generado dentro del cuerpo (en su volumen interior) cuando el espesor excede las 7 capas atómicas (variable según la frecuencia  y de aproximadamente 2,5 nanómetros). En cambio, el “ruido 1 / f” es un fenómeno “de superficie” por debajo de este espesor. Sin dudas un hallazgo trascendental para la electrónica del futuro y el despegue definitivo del grafeno, como pilar de las futuras tecnologías de fabricación de dispositivos. "Más allá del aporte que pueda significar esto para la ciencia en general, los resultados reportados son muy importantes para continuar con la reducción en la escala de los dispositivos electrónicos convencionales", dijo Balandin. "En este sentido, el hallazgo va más allá del campo de grafeno". Por otro lado, señaló que el estudio era esencial para las aplicaciones propuestas de grafeno en circuitos analógicos, comunicaciones y sensores. Esto es porque todas estas aplicaciones requieren niveles aceptablemente bajos de “ruido 1 / f”, lo que contribuye al ruido de fase de los sistemas de comunicación y sensibilidad límite de los sistemas de recepción y en forma consecuente, su selectividad.

Fuente: AIP