Gli scienziati hanno recentemente rivelato, sia teoricamente che sperimentalmente, che gli atomi di germanio possono organizzarsi in un reticolo "bi-triangolare" 2-D su film sottili di diboruro di zirconio cresciuti su cristalli singoli di germanio per formare un "materiale a banda piatta" con un reticolo "kagome" incorporato. Il risultato fornisce supporto sperimentale a una previsione teorica di bande piatte che emergono dalla banale geometria atomica e indica la possibilità della loro esistenza in molti più materiali.

La mente umana è naturalmente attratta da oggetti che possiedono simmetria; infatti, la nozione di bellezza è spesso confusa con la simmetria. In natura, niente incarna la simmetria più dei cristalli. Dalla loro scoperta, i cristalli hanno attirato una grande attenzione non solo per il loro esclusivo fascino estetico "simmetrico", ma anche per le loro proprietà uniche. Una di queste proprietà è il comportamento degli elettroni all'interno di un cristallo. Da un punto di vista fisico, un elettrone all'interno di un cristallo può essere completamente caratterizzato dalla sua energia e da una quantità chiamata "momento cristallino, " che si riferisce alla velocità con cui l'elettrone si muove in un cristallo. La relazione tra l'energia e il momento cristallino degli elettroni è ciò che gli scienziati chiamano "struttura a bande, " quale, in poche parole, sono i livelli di energia consentiti per gli elettroni all'interno del cristallo.

Recentemente, gli scienziati dei materiali hanno rivolto la loro attenzione verso quelli che vengono chiamati "materiali a banda piatta" - una classe di materiali che possiedono una struttura a bande in cui l'energia non varia con il momento del cristallo e quindi assomiglia a una linea piatta quando tracciata in funzione del momento del cristallo - per la loro capacità di dare origine a stati esotici della materia, come il ferromagnetismo (magnetismo spontaneo simile al ferro) e la superconduttività (resistenza zero al flusso di elettricità). In genere, queste "bande piatte" sono osservate in speciali strutture 2-D che vanno sotto nomi come "reticolo a scacchiera, " "reticolo dei dadi, " "Kagome reticolo, " ecc. e sono tipicamente osservati all'interno del cristallo o sulla superficie dei materiali stratificati. Si presenta quindi una domanda pertinente:è possibile incorporare tali reticoli in strutture 2-D completamente nuove? Gli sforzi per progettare materiali 2-D si sono concentrati rispondendo a questa domanda, e una recente scoperta suggerisce che la risposta è un "sì".

Ora, in uno studio pubblicato su Revisione fisica B come Comunicazione Rapida, un team internazionale di scienziati del Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST), l'Università di Tokyo, l'Agenzia giapponese per l'energia atomica, e Institute for Molecular Science in Giappone e Tamkang University a Taiwan, guidato dal Dr. Antoine Fleurence e dal Prof. Yukiko Yamada-Takamura, ha riportato un possibile nuovo materiale a banda piatta ottenuto da atomi di germanio (Ge) che si dispongono in un reticolo bi-triangolare 2-D su film sottili di diboruro di zirconio cresciuti su cristalli singoli di germanio. Sebbene il team avesse già coltivato questo materiale 2-D anni fa, solo di recente sono stati in grado di svelarne la struttura.

L'anno scorso, una parte del team ha pubblicato un articolo teorico nella stessa rivista che sottolinea le condizioni in cui un reticolo bi-triangolare 2-D può formare una banda piatta. Hanno scoperto che questo è correlato a un reticolo "kagome" (che significa modello di cesto intrecciato in giapponese), un termine originariamente coniato dai fisici giapponesi negli anni '50 per studiare il magnetismo. "Ero davvero entusiasta quando ho scoperto che la struttura elettronica del reticolo kagome può essere incorporata in una struttura 2-D dall'aspetto molto diverso, " ricorda il prof. Chi-Cheng Lee, un fisico alla Tamkang University, Taiwan, coinvolti nello studio, che predisse la presenza di bande piatte nel reticolo "bitriangolare".

Il pronostico è stato finalmente confermato dopo che la squadra, nel loro studio attuale, caratterizzato il materiale 2-D preparato utilizzando varie tecniche come la microscopia a effetto tunnel a scansione, diffrazione di positroni, e l'emissione di fotoelettroni a livello del nucleo e risolta in angolo; e ha eseguito il backup dei dati sperimentali con calcoli teorici per rivelare il reticolo bi-triangolare sottostante.

"Il risultato è davvero entusiasmante in quanto dimostra che le bande piatte possono emergere anche da strutture banali e possono eventualmente essere realizzate in molti più materiali. Il nostro prossimo passo è vedere cosa succede a bassa temperatura, e come è correlato alle bande piatte del reticolo bi-triangolare Ge, "dice il dottor Fleurence, che è anche il primo autore di questo articolo.

Infatti, chi avrebbe mai pensato che un tipico, semiconduttori comuni come il germanio potrebbero offrire possibilità così esotiche e senza precedenti? Il mondo 2-D potrebbe avere più sorprese nella manica di quanto immaginiamo.