La scienza e la tecnologia in rapido sviluppo del grafene e dei materiali atomicamente sottili ha fatto un altro passo avanti con una nuova ricerca dell'Università di Manchester.

Questa ricerca, pubblicato in Scienza , mostra come una varietà di diverse proprietà elettroniche - essenzialmente nuovi materiali - possono essere realizzate semplicemente applicando un campo magnetico.

Gli elettroni all'interno dei materiali si muovono in modo molto diverso da un elettrone libero nel vuoto:le loro proprietà sono fortemente influenzate dal potenziale elettrico degli ioni che compongono il reticolo cristallino. Questa interazione cambia la massa degli elettroni e rende i materiali o metalli, semiconduttori o isolanti, a seconda della struttura atomica dettagliata. Ciò fornisce la grande varietà di proprietà dei materiali che conosciamo e con cui lavoriamo.

Prima, i ricercatori dell'Università di Manchester hanno trovato il modo di creare nuovi materiali con proprietà elettroniche su misura posizionando un materiale elettronico (in questo caso il grafene) sopra un altro cristallo, nitruro di boro esagonale. Ora, dimostrano come creare un'intera sequenza di diversi materiali elettronici semplicemente sintonizzando il campo magnetico applicato.

In questa combinazione di materiali, gli atomi di nitruro di boro creano uno schema periodico per gli elettroni nel grafene noto come superreticolo. Tale superreticolo è caratterizzato dalla scala delle lunghezze del modello periodico, considerando che l'intensità del campo magnetico applicato può essere calcolata nei cosiddetti quanti di flusso, unità elementari di campo magnetico.

Una condizione di corrispondenza si ottiene ogni volta che una frazione intera del quanto di flusso penetra attraverso un'area data dal superreticolo elementare. A questi valori speciali del campo magnetico, i ricercatori hanno osservato che gli elettroni hanno iniziato a muoversi lungo linee rette, come se il campo magnetico fosse assente.

Questo è in netto contrasto con il comportamento noto degli elettroni in un campo magnetico in cui gli elettroni devono muoversi lungo traiettorie curve note come orbite di ciclotrone. Come risultato di questi cambiamenti da traiettorie diritte a curve e viceversa in molte condizioni di corrispondenza, i ricercatori hanno trovato oscillazioni nella conduttività elettrica dei superreticoli di grafene.

Tutte le oscillazioni precedentemente note in un campo magnetico richiedono basse temperature, tipicamente uguale a quando l'elio diventa liquido. In contrasto, le nuove oscillazioni sono state osservate a temperature molto elevate, ben al di sopra della temperatura ambiente.

Professor Sir Andre Geim dell'Università di Manchester, che ha vinto il Premio Nobel per la Fisica nel 2010 per il suo lavoro sul grafene, ha guidato lo sforzo sperimentale e ha affermato:"Gli effetti quantistici oscillatori presentano sempre pietre miliari nella nostra comprensione delle proprietà dei materiali. Sono estremamente rari. Sono passati più di 30 anni da quando è stato segnalato un nuovo tipo di oscillazione quantistica".

Ha aggiunto:"Le nostre oscillazioni si distinguono per la loro estrema robustezza, accade in condizioni ambientali in campi magnetici facilmente accessibili."

Un altro aspetto notevole di questo lavoro è che i superreticoli di grafene sono stati precedentemente utilizzati per studiare le cosiddette farfalle Hofstadter, sottili cambiamenti nella struttura elettronica con il campo magnetico. Questi cambiamenti mostrano un'affascinante struttura frattale.

Professor Vladimir Falko, Il direttore del National Graphene Institute che ha fornito supporto teorico in questo lavoro ha commentato:"Il nostro lavoro aiuta a demistificare la farfalla di Hofstadter. La complessa struttura frattale dello spettro della farfalla di Hofstadter può essere intesa come semplice quantizzazione di Landau nella sequenza di nuovi metalli creati dal magnetismo campo."