Un foglio di grafene teso attraverso uno spazio vuoto in un chip semiconduttore. Immagine:Kirill Bolotkin
(PhysOrg.com) -- Primo, erano le molecole a forma di pallone da calcio chiamate buckyballs. Poi sono stati i nanotubi di forma cilindrica. Ora, il nuovo materiale più in voga in fisica e nanotecnologia è il grafene:una molecola straordinariamente piatta composta da atomi di carbonio disposti in anelli esagonali molto simili al filo di pollo molecolare.
Non solo questo è il materiale più sottile possibile, ma è anche 10 volte più resistente dell'acciaio e conduce l'elettricità meglio di qualsiasi altro materiale conosciuto a temperatura ambiente. Queste e le altre proprietà esotiche del grafene hanno attirato l'interesse dei fisici, chi li vuole studiare, e nanotecnologi, che vogliono sfruttarli per realizzare nuovi dispositivi elettrici e meccanici.
"Ci sono due caratteristiche che rendono il grafene eccezionale, "dice Kirill Bolotin, che è appena entrato a far parte del Dipartimento di Fisica e Astronomia di Vanderbilt come assistente professore. "Primo, la sua struttura molecolare è così resistente ai difetti che i ricercatori hanno dovuto realizzarli manualmente per studiare gli effetti che hanno. Secondo, gli elettroni che trasportano la carica elettrica viaggiano molto più velocemente e generalmente si comportano come se avessero una massa molto inferiore a quella dei metalli ordinari o dei superconduttori".
Bolotin è stato direttamente coinvolto negli sforzi per produrre e caratterizzare questo nuovo materiale esotico come borsista post-dottorato nel laboratorio di Philip Kim alla Columbia University. In un articolo pubblicato la scorsa settimana sulla rivista Natura , lui e i suoi colleghi della Columbia riferiscono di essere riusciti a ripulire il grafene abbastanza da mostrare un bizzarro fenomeno elettrico chiamato effetto Hall quantistico frazionario, dove gli elettroni agiscono insieme per creare nuove particelle con cariche elettriche che sono una frazione di quella dei singoli elettroni.
Gli strati di grafene si trovano nelle scaglie di grafite come quelle della mina. Immagine:Kirill Bolotkin
Sebbene il grafene sia il primo materiale cristallino veramente bidimensionale scoperto, nel corso degli anni gli scienziati hanno riflettuto a lungo su come dovrebbero comportarsi i gas ei solidi bidimensionali. Sono anche riusciti a creare una stretta approssimazione a un gas di elettroni bidimensionale legando insieme due semiconduttori leggermente diversi. Gli elettroni sono confinati all'interfaccia tra i due e i loro movimenti sono limitati a due dimensioni. Quando un tale sistema viene raffreddato a meno di un grado sopra lo zero assoluto e viene applicato un forte campo magnetico, quindi appare l'effetto Hall quantistico frazionario.
Da quando gli scienziati hanno scoperto come produrre il grafene cinque anni fa, hanno cercato di ottenere questo effetto con solo un successo marginale. Secondo Bolotin, il gruppo della Columbia ha scoperto che il problema era l'interferenza della superficie su cui si trovava il grafene. Quindi hanno applicato tecniche di litografia a semiconduttore per sospendere fogli di grafene ultrapuliti tra perni microscopici sopra la superficie dei chip semiconduttori. Quando hanno raffreddato questa configurazione entro sei gradi dallo zero assoluto e hanno applicato un campo magnetico, il grafene ha generato un robusto effetto Hall quantistico come previsto dalla teoria.
Il modo migliore per comprendere questo effetto controintuitivo è pensare agli elettroni nel grafene come a un mare di carica (molto sottile). Quando viene applicato il campo magnetico, genera vortici nel fluido elettronico. Poiché gli elettroni portano una carica negativa, questi vortici hanno una carica positiva. Si formano con cariche frazionarie come un terzo, metà e due terzi di quella di un elettrone. Questi portatori di carica positiva sono attratti e si attaccano agli elettroni di conduzione, creando quasi-particelle con cariche frazionarie.
Comprendere le proprietà elettriche del grafene è importante perché, a differenza degli altri materiali utilizzati dall'industria elettronica, rimane stabile e conduttivo fino alla scala molecolare. Di conseguenza, quando l'attuale tecnologia del silicio raggiungerà è un limite fondamentale di miniaturizzazione nei prossimi anni, il grafene potrebbe benissimo prendere il suo posto.
Questa illustrazione mostra la punta di un microscopio a scansione a effetto tunnel che si avvicina a un foglio ondulato di grafene perfetto. © Calvin Davidson, British Carbon Group
Nel frattempo, alcuni fisici teorici sono interessati al grafene per una ragione totalmente diversa:fornisce un nuovo modo per testare le loro teorie.
Quando gli elettroni si muovono attraverso i metalli ordinari, interagiscono con i campi elettrici prodotti dal reticolo di atomi di metallo, che li spingono e li tirano in modo complesso. Il risultato netto è che gli elettroni si comportano come se avessero una massa diversa da quella degli elettroni ordinari. Quindi i fisici la chiamano "massa effettiva" e le considerano quasiparticelle. Quando viaggiano attraverso il grafene agiscono anche come quasiparticelle, ma si comportano come se avessero massa nulla. Si scopre che quasiparticelle di grafene, a differenza di quelli in altri materiali, obbedire alle regole dell'elettrodinamica quantistica, le stesse equazioni relativistiche che i fisici usano per descrivere il comportamento delle particelle nei buchi neri e negli acceleratori di particelle ad alta energia. Di conseguenza, questo nuovo materiale potrebbe consentire ai fisici di condurre esperimenti da tavolo che testano i loro modelli teorici di alcuni degli ambienti più estremi dell'universo.
Maggiori informazioni: www.nature.com/nature/journal/ … ull/nature08582.html
Fonte:Vanderbilt University (notizie:web)
