Elettroni disposti in una struttura simile a una torta nuziale, una serie concentrica di anelli isolanti (rossi) e conduttori (blu), a causa del confinamento magnetico nel grafene. L'altezza di ogni livello rappresenta l'energia degli elettroni in quel livello. Credito:C. Gutiérrez/NIST
In un connubio tra scienza quantistica e fisica dello stato solido, i ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno utilizzato campi magnetici per confinare gruppi di elettroni a una serie di anelli concentrici all'interno del grafene, un singolo strato di atomi di carbonio strettamente impacchettati.
Questa "torta nuziale" a più livelli, " che appare in immagini che mostrano la struttura del livello energetico degli elettroni, conferma sperimentalmente come gli elettroni interagiscono in uno spazio strettamente confinato secondo le regole della meccanica quantistica a lungo non testate. I risultati potrebbero anche avere applicazioni pratiche nell'informatica quantistica.
Il grafene è un materiale molto promettente per i nuovi dispositivi elettronici grazie alla sua resistenza meccanica, la sua eccellente capacità di condurre l'elettricità e il suo ultrasottile, struttura essenzialmente bidimensionale. Per queste ragioni, gli scienziati accolgono con favore qualsiasi nuova intuizione su questo meraviglioso materiale.
I ricercatori, che riportano i loro risultati nel numero del 24 agosto di Scienza , hanno iniziato il loro esperimento creando punti quantici, minuscole isole che fungono da atomi artificiali, in dispositivi di grafene raffreddati a pochi gradi sopra lo zero assoluto.
Gli elettroni orbitano attorno a punti quantici in modo simile al modo in cui queste particelle cariche negativamente orbitano attorno agli atomi. Come pioli su una scala, possono occupare solo specifici livelli energetici secondo le regole della teoria quantistica. Ma è successo qualcosa di speciale quando i ricercatori hanno applicato un campo magnetico, che confinava ulteriormente gli elettroni in orbita attorno al punto quantico. Quando il campo applicato ha raggiunto una forza di circa 1 Tesla (circa 100 volte la forza tipica di un piccolo magnete a barra), gli elettroni si sono ammassati più vicini e hanno interagito più fortemente.
Di conseguenza, gli elettroni si riorganizzarono in un nuovo schema:una serie alternata di anelli concentrici conduttori e isolanti sulla superficie. Quando i ricercatori hanno impilato le immagini degli anelli concentrici registrati a diversi livelli di energia degli elettroni, l'immagine risultante assomigliava a una torta nuziale, con l'energia dell'elettrone come dimensione verticale.
L'immagine di spettroscopia a effetto tunnel di scansione mostra che gli elettroni confinati magneticamente sono disposti in una struttura di livelli di energia simile a una torta nuziale, noti come livelli di Landau, etichettato come ll (pannello superiore). Gli elettroni confinati a quei livelli creano una serie di anelli isolanti e conduttori all'interno del grafene (pannello inferiore). Credito: NIST
Un microscopio a scansione a effetto tunnel, quali immagini affiorano con risoluzione su scala atomica registrando il flusso di elettroni tra diverse regioni del campione e la punta ultraaffilata dello stilo del microscopio, rivelato la struttura.
"Questo è un esempio da manuale di un problema - determinare l'aspetto dell'effetto combinato del confinamento spaziale e magnetico degli elettroni - che risolvi su carta quando sei esposto per la prima volta alla meccanica quantistica, ma che nessuno ha mai visto prima, " ha affermato lo scienziato e coautore del NIST Joseph Stroscio. "La chiave è che il grafene è un materiale veramente bidimensionale con un mare di elettroni esposto in superficie, " ha aggiunto. "In precedenti esperimenti utilizzando altri materiali, i punti quantici sono stati sepolti nelle interfacce dei materiali, quindi nessuno era stato in grado di guardare al loro interno e vedere come cambiano i livelli di energia quando è stato applicato un campo magnetico".
I punti quantici di grafene sono stati proposti come componenti fondamentali di alcuni computer quantistici.
"Poiché vediamo che questo comportamento inizia a campi moderati di appena 1 Tesla, significa che queste interazioni elettrone-elettrone dovranno essere attentamente considerate quando si considerano alcuni tipi di punti quantici di grafene per il calcolo quantistico, ", ha affermato il coautore dello studio Christopher Gutierrez, ora alla University of British Columbia a Vancouver, che ha eseguito il lavoro sperimentale al NIST con i coautori Fereshte Ghahari e Daniel Walkup del NIST e dell'Università del Maryland.
Questo risultato apre anche la possibilità al grafene di agire come quello che i ricercatori chiamano un "simulatore quantistico relativistico". La teoria della relatività descrive come si comportano gli oggetti quando si muovono alla velocità della luce o vicino a essa. E gli elettroni nel grafene possiedono una proprietà insolita:si muovono come se fossero privi di massa, come particelle di luce. Sebbene gli elettroni nel grafene viaggino effettivamente molto più lentamente della velocità della luce, il loro comportamento privo di massa simile alla luce ha guadagnato loro il soprannome di materia "relativistica". Il nuovo studio apre le porte alla creazione di un esperimento da tavolo per studiare la materia relativistica fortemente confinata.
Le misurazioni suggeriscono che gli scienziati potrebbero presto trovare strutture ancora più esotiche prodotte dalle interazioni di elettroni confinati a materiali allo stato solido a basse temperature.
Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione del NIST. Leggi la storia originale qui.
