Quando ci si muove attraverso un materiale conduttivo in un campo elettrico, gli elettroni tendono a seguire il percorso di minor resistenza, che corre nella direzione di quel campo.

Ma ora i fisici del MIT e dell'Università di Manchester hanno scoperto un comportamento inaspettatamente diverso in condizioni molto specializzate, che potrebbe portare a nuovi tipi di transistor e circuiti elettronici che potrebbero rivelarsi altamente efficienti dal punto di vista energetico.

Hanno scoperto che quando un foglio di grafene, una matrice bidimensionale di carbonio puro, viene posizionato sopra un altro materiale bidimensionale, gli elettroni invece si muovono lateralmente, perpendicolare al campo elettrico. Questo accade anche senza l'influenza di un campo magnetico, l'unico altro modo conosciuto per indurre un tale flusso laterale.

Cosa c'è di più, due flussi separati di elettroni scorrerebbero in direzioni opposte, entrambi trasversalmente al campo, annullando la reciproca carica elettrica per produrre un "neutro, corrente senza carica, " spiega Leonid Levitov, un professore di fisica del MIT e un autore senior di un articolo che descrive questi risultati questa settimana sulla rivista Scienza .

L'angolo esatto di questa corrente rispetto al campo elettrico può essere controllato con precisione, dice Levitov. Lo paragona a una barca a vela che naviga perpendicolare al vento, il suo angolo di movimento controllato regolando la posizione della vela.

Levitov e il coautore Andre Geim di Manchester affermano che questo flusso potrebbe essere alterato applicando una piccola tensione al cancello, permettendo al materiale di funzionare come un transistor. Correnti in questi materiali, essere neutrale, potrebbero non sprecare gran parte della loro energia sotto forma di calore, come avviene nei semiconduttori convenzionali, rendendo potenzialmente i nuovi materiali una base più efficiente per i chip dei computer.

"È opinione diffusa che nuovi, approcci non convenzionali all'elaborazione delle informazioni sono la chiave per il futuro dell'hardware, " dice Levitov. "Questa convinzione è stata la forza trainante dietro una serie di importanti sviluppi recenti, in particolare spintronica", in cui lo spin degli elettroni, non la loro carica elettrica, trasporta informazioni.

I ricercatori del MIT e di Manchester hanno dimostrato un semplice transistor basato sul nuovo materiale, dice Levitov.

"È un effetto piuttosto affascinante, e colpisce un punto molto morbido nella nostra comprensione del complesso, cosiddetti materiali topologici, " dice Geim. "È molto raro imbattersi in un fenomeno che collega la scienza dei materiali, fisica delle particelle, relatività, e topologia".

Nei loro esperimenti, Levitov, Gemma, e i loro colleghi hanno sovrapposto il grafene su uno strato di nitruro di boro, un materiale bidimensionale che forma una struttura reticolare esagonale, come fa il grafene. Insieme, i due materiali formano un superreticolo che si comporta come un semiconduttore.

Questo superreticolo fa sì che gli elettroni acquisiscano una torsione inaspettata - che Levitov descrive come "una vorticità incorporata" - che cambia la loro direzione di movimento, tanto quanto la rotazione di una palla può curvare la sua traiettoria.

Gli elettroni nel grafene si comportano come particelle relativistiche senza massa. L'effetto osservato, però, non ha analoghi noti nella fisica delle particelle, e amplia la nostra comprensione di come funziona l'universo, dicono i ricercatori.

Se questo effetto possa essere sfruttato o meno per ridurre l'energia utilizzata dai chip dei computer rimane una questione aperta, Levitov ammette. Questa è una scoperta precoce, e sebbene vi sia chiaramente un'opportunità per ridurre la perdita di energia per il riscaldamento a livello locale, altre parti di un tale sistema possono controbilanciare tali guadagni. "Questa è una domanda affascinante che resta da risolvere, "Dice Levitov.

Francesco Guinea, un professore di ricerca presso l'Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid in Spagna, che non era collegato a questa ricerca, definisce l'approccio adottato da questo team "nuovo e fantasioso... La caratterizzazione di queste correnti nel grafene è un progresso molto importante nella comprensione dei materiali bidimensionali".

Il lavoro ha un grande potenziale, Guinea aggiunge, perché "materiali bidimensionali con proprietà topologiche speciali sono alla base delle nuove tecnologie per la manipolazione dell'informazione quantistica".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.