I ricercatori di Rutgers hanno scoperto nuove proprietà elettroniche in fogli bidimensionali di atomi di carbonio chiamati grafene che un giorno potrebbero essere il cuore di dispositivi elettronici veloci e potenti.
Le nuove scoperte, precedentemente considerato possibile dai fisici ma solo ora visto in laboratorio, mostrano che gli elettroni nel grafene possono interagire fortemente tra loro. Il comportamento è simile alla superconduttività osservata in alcuni metalli e materiali complessi, segnato dal flusso di corrente elettrica senza resistenza e da altre proprietà insolite ma potenzialmente utili. Nel grafene, questo comportamento si traduce in una nuova fase liquida della materia costituita da quasi-particelle con carica frazionata, in cui la carica viene trasportata senza dissipazione.
In un articolo pubblicato online dalla prestigiosa rivista scientifica Natura e prevista per la pubblicazione su carta nelle prossime settimane, la professoressa di fisica Eva Andrei e i suoi colleghi di Rutgers notano che la forte interazione tra gli elettroni, chiamato anche comportamento correlato, non era stata osservata nel grafene nonostante molti tentativi di convincerlo. Ciò ha portato alcuni scienziati a chiedersi se un comportamento correlato potesse essere possibile anche nel grafene, dove gli elettroni sono particelle prive di massa (ultra-relativistiche) come fotoni e neutrini. Nella maggior parte dei materiali, gli elettroni sono particelle che hanno massa.
"Il nostro lavoro ha dimostrato che i precedenti fallimenti nell'osservare il comportamento correlato non erano dovuti alla natura fisica del grafene, " ha detto Eva Andrej, professore di fisica alla Rutgers School of Arts and Sciences. "Piuttosto, era a causa dell'interferenza del materiale che supportava i campioni di grafene e del tipo di sonde elettriche utilizzate per studiarlo."
Questa scoperta dovrebbe incoraggiare gli scienziati a perseguire ulteriormente il grafene e i materiali correlati per future applicazioni elettroniche, comprese le sostituzioni degli attuali materiali semiconduttori a base di silicio. Gli esperti del settore si aspettano che la tecnologia al silicio raggiunga limiti prestazionali fondamentali in poco più di un decennio.
I fisici di Rutgers descrivono ulteriormente come hanno osservato il comportamento collettivo dei portatori di carica ultrarelativistici nel grafene attraverso un fenomeno noto come effetto Hall quantistico frazionario (FQHE). Il FQHE si vede quando i portatori di carica sono confinati a muoversi su un piano bidimensionale e sono soggetti a un campo magnetico perpendicolare. Quando le interazioni tra questi portatori di carica sono sufficientemente forti, formano nuove quasi-particelle con una frazione della carica elementare di un elettrone. L'FHQE è la firma per eccellenza del comportamento fortemente correlato tra le particelle portatrici di carica in due dimensioni.
Il FHQE è noto per esistere in semiconduttori, sistemi elettronici bidimensionali, dove gli elettroni sono particelle massicce che obbediscono alla dinamica convenzionale contro la dinamica relativistica delle particelle senza massa. Però, non era ovvio fino ad ora che gli elettroni ultrarelativistici nel grafene sarebbero in grado di esibire fenomeni collettivi che danno origine al FHQE. I fisici Rutgers sono rimasti sorpresi dal fatto che l'FHQE nel grafene sia ancora più robusto rispetto ai semiconduttori standard.
Gli scienziati realizzano cerotti di grafene strofinando la grafite - lo stesso materiale nella normale mina di matita - su un wafer di silicio, che è una sottile fetta di cristallo di silicio utilizzata per realizzare chip per computer. Quindi eseguono percorsi elettrici verso i cerotti di grafene utilizzando normali tecniche di fabbricazione di circuiti integrati. Mentre gli scienziati sono stati in grado di studiare molte proprietà del dispositivo elettronico risultante al grafene, non sono stati in grado di indurre il ricercato effetto Hall quantistico frazionario.
Andrei e il suo gruppo hanno proposto che le impurità o le irregolarità nel sottile strato di biossido di silicio sottostante il grafene impedissero agli scienziati di raggiungere le condizioni rigorose di cui avevano bisogno. Il borsista post-dottorato Xu Du e lo studente universitario Anthony Barker sono stati in grado di dimostrare che l'incisione di diversi strati di biossido di silicio sotto i cerotti di grafene lascia essenzialmente una striscia di grafene intatta sospesa a mezz'aria dagli elettrodi. Ciò ha permesso al gruppo di dimostrare che i vettori nel grafene sospeso si propagano essenzialmente in modo balistico senza disperdersi dalle impurità. Un altro passo cruciale è stato progettare e fabbricare una geometria della sonda che non interferisse con le misurazioni come Andrei sospettava che stessero facendo quelle precedenti. Questi si sono rivelati passaggi decisivi per osservare il comportamento correlato nel grafene.
Negli ultimi mesi, altri gruppi di ricerca accademici e aziendali hanno riportato tecniche di produzione di grafene semplificate, che stimolerà ulteriori ricerche e potenziali applicazioni.
Fonte:Rutgers University (notizie:web)
