Fisici e colleghi del MIT hanno creato un'autostrada a cinque corsie per gli elettroni che potrebbe consentire l'elettronica ultra efficiente e altro ancora. Il lavoro, riportato nel numero del 9 maggio di Science , è una delle numerose scoperte importanti effettuate dallo stesso team nell'ultimo anno che coinvolgono un materiale che è essenzialmente una forma unica di mina per matita.
"Questa scoperta ha implicazioni dirette per i dispositivi elettronici a bassa potenza perché non viene persa energia durante la propagazione degli elettroni, cosa che non avviene nei normali materiali in cui gli elettroni sono dispersi", afferma Long Ju, assistente professore presso il Dipartimento di Scienze del MIT. Fisica e autore corrispondente dell'articolo.
Il fenomeno è simile alle auto che viaggiano lungo un’autostrada aperta rispetto a quelle che si muovono attraverso i quartieri. Le auto del vicinato possono essere fermate o rallentate da altri conducenti che effettuano fermate brusche o inversioni a U che interrompono un tragitto altrimenti regolare.
Il materiale alla base di questo lavoro, noto come grafene pentastrato romboedrico, è stato scoperto due anni fa dai fisici guidati da Ju. "Abbiamo trovato una miniera d'oro e ogni scoop rivela qualcosa di nuovo", afferma Ju, che è anche affiliato al Laboratorio di ricerca sui materiali del MIT.
In una nanotecnologia naturale Lo scorso ottobre Ju e colleghi hanno riportato la scoperta di tre importanti proprietà derivanti dal grafene romboedrico. Ad esempio, hanno dimostrato che potrebbe essere topologico, ovvero consentire il movimento senza ostacoli degli elettroni attorno al bordo del materiale ma non attraverso il centro. Ciò ha portato alla creazione di un'autostrada, ma ha richiesto l'applicazione di un grande campo magnetico alcune decine di migliaia di volte più forte del campo magnetico terrestre.
Nel lavoro attuale, il team riferisce di aver creato l'autostrada senza alcun campo magnetico.
Tonghang Han, uno studente laureato in fisica del MIT, è uno dei primi autori dell'articolo. "Non siamo i primi a scoprire questo fenomeno generale, ma lo abbiamo fatto in un sistema molto diverso. E rispetto ai sistemi precedenti, il nostro è più semplice e supporta anche più canali elettronici", spiega Ju. "Altri materiali possono supportare solo una corsia di traffico sul bordo del materiale. All'improvviso l'abbiamo portata a cinque."
Altri co-primi autori dell'articolo che hanno contribuito in egual misura al lavoro sono Zhengguan Lu e Yuxuan Yao. Lu è un associato post-dottorato presso il Laboratorio di ricerca sui materiali. Yao ha condotto il lavoro come studente universitario in visita presso l'Università di Tsinghua. Altri autori sono il professore di fisica Liang Fu del MIT; Jixiang Yang e Junseok Seo, entrambi studenti laureati in fisica del MIT; Chiho Yoon e Fan Zhang dell'Università del Texas a Dallas; e Kenji Watanabe e Takashi Taniguchi dell'Istituto nazionale per la scienza dei materiali in Giappone.
Come funziona
La mina della matita, o grafite, è composta da grafene, un singolo strato di atomi di carbonio disposti in esagoni che ricordano una struttura a nido d'ape. Il grafene romboedrico è composto da cinque strati di grafene impilati in uno specifico ordine di sovrapposizione.
Ju e colleghi hanno isolato il grafene romboedrico grazie a un nuovo microscopio Ju costruito al MIT nel 2021 che può determinare in modo rapido e relativamente economico una varietà di caratteristiche importanti di un materiale su scala nanometrica. Il grafene impilato romboedrico pentastrato ha uno spessore di solo pochi miliardesimi di metro.
Nel lavoro attuale, il team ha modificato il sistema originale, aggiungendo uno strato di bisolfuro di tungsteno (WS2 ). "L'interazione tra WS2 e il pentastrato romboedrico di grafene ha dato vita a questa superstrada a cinque corsie che opera con un campo magnetico pari a zero," afferma Ju.
Il fenomeno che il gruppo Ju ha scoperto nel grafene romboedrico che consente agli elettroni di viaggiare senza resistenza in un campo magnetico pari a zero è noto come effetto Hall anomalo quantistico. La maggior parte delle persone ha più familiarità con la superconduttività, un fenomeno completamente diverso che fa la stessa cosa ma avviene in materiali molto diversi.
Ju osserva che, sebbene i superconduttori siano stati scoperti negli anni '10, ci sono voluti circa 100 anni di ricerca per convincere il sistema a funzionare alle temperature più elevate necessarie per le applicazioni. "E il record mondiale è ancora ben al di sotto della temperatura ambiente", osserva.
Allo stesso modo, l’autostrada romboedrica del grafene attualmente opera a circa 2 Kelvin, o -456 Fahrenheit. "Ci vorrà un grande sforzo per aumentare la temperatura, ma come fisici, il nostro compito è fornire informazioni dettagliate; un modo diverso per realizzare questo [fenomeno]", afferma Ju.
Le scoperte sul grafene romboedrico sono il risultato di una ricerca scrupolosa di cui non era garantito il funzionamento. "Abbiamo provato molte ricette nel corso di molti mesi", afferma Han, "quindi è stato molto emozionante quando abbiamo raffreddato il sistema a una temperatura molto bassa e [un'autostrada a cinque corsie che funziona con un campo magnetico pari a zero] è semplicemente saltata fuori."
Ju dice:"È molto emozionante essere il primo a scoprire un fenomeno in un nuovo sistema, soprattutto in un materiale che abbiamo scoperto."
Ulteriori informazioni: Tonghang Han et al, Effetto Hall anomalo quantistico di grandi dimensioni nel grafene romboedrico prossimato in orbita di spin, Scienza (2024). DOI:10.1126/science.adk9749
Informazioni sul giornale: Nanotecnologia naturale , Scienza
Fornito da Materials Research Laboratory, Massachusetts Institute of Technology
