Un materiale composto da due strati di carbonio dello spessore di un atomo ha attirato l'attenzione dei fisici di tutto il mondo per le sue proprietà conduttive intriganti e potenzialmente sfruttabili.

Dottor Fan Zhang, assistente professore di fisica presso la School of Natural Sciences and Mathematics dell'Università del Texas a Dallas, e lo studente di dottorato in fisica Qiyue Wang hanno pubblicato un articolo a giugno con il gruppo del Dr. Fengnian Xia alla Yale University di Fotonica della natura che descrive come la capacità del grafene a doppio strato ritorto di condurre la corrente elettrica cambia in risposta alla luce nel medio infrarosso.

Da uno a due strati

Il grafene è un singolo strato di atomi di carbonio disposti in uno schema piatto a nido d'ape, dove ogni esagono è formato da sei atomi di carbonio ai suoi vertici. Dal primo isolamento del grafene nel 2004, le sue proprietà uniche sono state intensamente studiate dagli scienziati per un potenziale utilizzo in computer avanzati, materiali e dispositivi.

Se due fogli di grafene sono impilati uno sopra l'altro, e uno strato viene ruotato in modo che gli strati siano leggermente fuori allineamento, la configurazione fisica risultante, chiamato grafene a doppio strato ritorto, produce proprietà elettroniche che differiscono significativamente da quelle esibite da un singolo strato da solo o da due strati allineati.

"Il grafene interessa da circa 15 anni, " Zhang ha detto. "Un singolo strato è interessante da studiare, ma se abbiamo due strati, la loro interazione dovrebbe rendere la fisica molto più ricca e interessante. Questo è il motivo per cui vogliamo studiare i sistemi di grafene a doppio strato".

Emerge un nuovo campo

Quando gli strati di grafene sono disallineati, emerge un nuovo disegno periodico nella mesh, chiamato motivo moiré. Anche il motivo moiré è un esagono, ma può essere composto da più di 10, 000 atomi di carbonio.

"L'angolo al quale i due strati di grafene sono disallineati, l'angolo di torsione, è di fondamentale importanza per le proprietà elettroniche del materiale, " Wang ha detto. "Più piccolo è l'angolo di torsione, maggiore è la periodicità moiré."

Gli effetti insoliti di specifici angoli di torsione sul comportamento degli elettroni sono stati proposti per la prima volta in un articolo del 2011 del Dr. Allan MacDonald, professore di fisica all'UT Austin, e il dottor Rafi Bistritzer. Zhang ha assistito alla nascita di questo campo come studente di dottorato nel gruppo di MacDonald.

"A quel tempo, altri in realtà non hanno prestato attenzione alla teoria, ma ora è diventato probabilmente l'argomento più scottante in fisica, " disse Zhang.

In quella ricerca del 2011 MacDonald e Bistritzer hanno predetto che l'energia cinetica degli elettroni può svanire in un doppio strato di grafene disallineato dal cosiddetto "angolo magico" di 1,1 gradi. Nel 2018, ricercatori del Massachusetts Institute of Technology hanno dimostrato questa teoria, scoprendo che lo sfalsamento di due strati di grafene di 1,1 gradi ha prodotto un superconduttore bidimensionale, un materiale che conduce corrente elettrica senza resistenza e senza perdita di energia.

In un articolo del 2019 su Science Advances, Zhang e Wang, insieme al gruppo della dottoressa Jeanie Lau presso la Ohio State University, ha mostrato che quando è sfalsato di 0,93 gradi, il grafene a doppio strato attorcigliato presenta stati sia superconduttori che isolanti, allargando così l'angolo magico in modo significativo.

"Nel nostro lavoro precedente, abbiamo visto la superconduttività così come l'isolamento. Questo è ciò che rende lo studio del grafene a doppio strato ritorto un campo così caldo:la superconduttività. Il fatto che tu possa manipolare il carbonio puro in un superconduttore è sorprendente e senza precedenti, "Ha detto Wang.

Nuovi risultati UT Dallas

Nella sua ricerca più recente in Nature Photonics, Zhang e i suoi collaboratori a Yale hanno studiato se e come il grafene a doppio strato intrecciato interagisce con la luce del medio infrarosso, che gli umani non possono vedere ma possono rilevare come calore.

"Le interazioni tra luce e materia sono utili in molti dispositivi, ad esempio, convertire la luce solare in energia elettrica, "Ha detto Wang. "Quasi ogni oggetto emette luce infrarossa, comprese le persone, e questa luce può essere rilevata con i dispositivi."

Zhang è un fisico teorico, così lui e Wang hanno deciso di determinare come la luce nel medio infrarosso potrebbe influenzare la conduttanza degli elettroni nel grafene a doppio strato attorcigliato. Il loro lavoro prevedeva il calcolo dell'assorbimento della luce in base alla struttura a fasce del motivo moiré, un concetto che determina come gli elettroni si muovono in un materiale quanto meccanicamente.

"Il grafene è stato interessante per circa 15 anni. Un singolo strato è interessante da studiare, ma se abbiamo due strati, la loro interazione dovrebbe rendere la fisica molto più ricca e interessante. Questo è il motivo per cui vogliamo studiare i sistemi di grafene a doppio strato, " lui dice.

"Ci sono modi standard per calcolare la struttura della banda e l'assorbimento della luce in un cristallo normale, ma questo è un cristallo artificiale, quindi abbiamo dovuto inventare un nuovo metodo, " ha detto Wang. Utilizzando le risorse del Texas Advanced Computing Center, una struttura di supercomputer nel campus dell'UT Austin, Wang ha calcolato la struttura della fascia e ha mostrato come il materiale assorbe la luce.

Il gruppo di Yale ha fabbricato dispositivi e condotto esperimenti che mostravano che la fotorisposta nel medio infrarosso, l'aumento della conduttanza dovuto alla luce che brilla, era insolitamente forte e più grande con un angolo di torsione di 1,8 gradi. La forte fotorisposta è svanita per un angolo di torsione inferiore a 0,5 gradi.

"I nostri risultati teorici non solo combaciavano bene con i risultati sperimentali, ma ha anche indicato un meccanismo che è fondamentalmente connesso al periodo del motivo moiré, che a sua volta è collegato all'angolo di torsione tra i due strati di grafene, " disse Zhang.

Passo successivo

"L'angolo di torsione è chiaramente molto importante nel determinare le proprietà del grafene a doppio strato ritorto, " Zhang ha aggiunto. "La domanda sorge spontanea:possiamo applicare questo per mettere a punto altri materiali bidimensionali per ottenere caratteristiche senza precedenti? Anche, possiamo combinare la fotorisposta e la superconduttività nel grafene a doppio strato attorcigliato? Per esempio, brillare una luce può indurre o modulare in qualche modo la superconduttività? Sarà molto interessante da studiare".

"Questa nuova svolta consentirà potenzialmente una nuova classe di rilevatori a infrarossi basati sul grafene ad alta sensibilità, " ha detto il dottor Joe Qiu, responsabile del programma per l'elettronica a stato solido e l'elettromagnetismo presso l'U.S. Army Research Office (ARO), un elemento del laboratorio di ricerca dell'esercito del comando di sviluppo delle capacità di combattimento dell'esercito degli Stati Uniti. "Questi nuovi rilevatori avranno un potenziale impatto su applicazioni come la visione notturna, che è di fondamentale importanza per l'esercito degli Stati Uniti."