Un modello teorico delle interazioni del plasmaron nel grafene, fogli di carbonio dello spessore di un atomo.
(PhysOrg.com) -- Le bande energetiche di particelle complesse note come plasmaron sono state viste per la prima volta dagli scienziati che lavorano con il grafene presso l'Advanced Light Source. La loro scoperta potrebbe accelerare il giorno in cui questi strati cristallini di carbonio dello spessore di un solo atomo potranno essere utilizzati per costruire computer ultraveloci e altri dispositivi elettronici, fotonico, e dispositivi plasmonici su scala nanometrica.
Gli scienziati che lavorano presso l'Advanced Light Source (ALS) presso il Lawrence Berkeley National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti hanno scoperto nuovi dettagli sorprendenti sulla struttura elettronica del grafene, strati cristallini di carbonio dello spessore di un solo atomo. Un team internazionale guidato da Aaron Bostwick ed Eli Rotenberg della SLA ha scoperto che le particelle composite chiamate plasmaron svolgono un ruolo vitale nel determinare le proprietà del grafene.
“Le proprietà interessanti del grafene sono tutti fenomeni collettivi, "dice Rotenberg, uno scienziato senior dello staff ALS responsabile del programma scientifico presso ALS beamline 7, dove è stato eseguito il lavoro. "La vera struttura elettronica del grafene non può essere compresa senza comprendere le molte complesse interazioni degli elettroni con altre particelle".
I portatori di carica elettrica nel grafene sono elettroni negativi e lacune positive, che a loro volta sono influenzati dai plasmoni, oscillazioni di densità che si muovono come onde sonore attraverso il "liquido" di tutti gli elettroni nel materiale. Un plasmaron è una particella composita, un portatore di carica accoppiato con un plasmone.
“Sebbene i plasmaron siano stati proposti teoricamente alla fine degli anni '60, e ne sono state trovate prove indirette, il nostro lavoro è la prima osservazione delle loro distinte bande energetiche nel grafene, o addirittura in qualsiasi materiale, "dice Rotenberg.
Comprendere le relazioni tra questi tre tipi di particelle:portatori di carica, plasmoni, e plasmaron—potrebbero accelerare il giorno in cui il grafene potrà essere utilizzato per la "plasmonica" per costruire computer ultraveloci—forse anche computer quantistici a temperatura ambiente—oltre a una vasta gamma di altri strumenti e applicazioni.
Lo strano grafene diventa più strano
“Il grafene non ha band gap, "dice Bostwick, un ricercatore su beamline 7.0.1 e autore principale dello studio. “Sul solito diagramma del band-gap del grafene neutro, la banda di valenza piena e la banda di conduzione vuota sono mostrate come due coni, che si incontrano alle loro punte in un punto chiamato il valico di Dirac”.
Il grafene è unico in quanto gli elettroni vicino all'incrocio di Dirac si muovono come se non avessero massa, viaggiando a una frazione significativa della velocità della luce. I plasmoni si accoppiano direttamente a queste cariche elementari. Le loro frequenze possono raggiungere i 100 trilioni di cicli al secondo (100 terahertz, 100 THz)—molto più alta della frequenza dell'elettronica convenzionale nei computer di oggi, che tipicamente operano a circa qualche miliardo di cicli al secondo (pochi gigahertz, GHz).
I plasmoni possono anche essere eccitati da fotoni, particelle di luce, da fonti esterne. La fotonica è il campo che include il controllo e l'uso della luce per l'elaborazione delle informazioni; i plasmoni possono essere diretti attraverso canali misurati su scala nanometrica (miliardesimi di metro), molto più piccolo rispetto ai dispositivi fotonici convenzionali.
E poiché la densità dei portatori di carica elettrica del grafene può essere facilmente influenzata, è semplice mettere a punto le proprietà elettroniche delle nanostrutture di grafene. Per questi ed altri motivi, dice Bostwick, “Il grafene è un candidato promettente per prodotti molto più piccoli, dispositivi molto più veloci, dispositivi plasmonici su nanoscala che uniscono elettronica e fotonica”.
La solita immagine delle semplici bande coniche del grafene non è una descrizione completa, però; invece è un'immagine idealizzata di elettroni "nudi". Non solo gli elettroni (e le lacune) interagiscono continuamente tra loro e con altre entità, l'immagine tradizionale del band-gap non riesce a prevedere i plasmaron appena scoperti rivelati da Bostwick e dai suoi collaboratori.
Il team riporta le loro scoperte e discute le implicazioni in "Osservazioni di plasmaron in grafene drogato quasi indipendente, ” di Aaron Bostwick, Floriano Speck, Thomas Seyller, Corno di Karsten, Marco Polini, Reza Asgari, Allan H. MacDonald, ed Eli Rotenberg, nel numero del 21 maggio 2010 di Scienza , disponibile online per gli abbonati.
Il grafene è più familiare come i singoli strati che compongono la grafite, la forma del carbonio a mina; ciò che rende la grafite morbida e un buon lubrificante è che gli strati di un singolo atomo scivolano facilmente l'uno sull'altro, i loro atomi sono fortemente legati nel piano ma debolmente legati tra i piani. Dagli anni '80, fogli di grafene sono stati arrotolati in nanotubi di carbonio o sferoidi chiusi di buckyball. I teorici hanno a lungo dubitato che i singoli fogli di grafene potessero esistere a meno che non fossero impilati o chiusi su se stessi.
Poi nel 2004 sono stati isolati singoli fogli di grafene, e da allora il grafene è stato utilizzato in molti esperimenti. I fogli di grafene sospesi nel vuoto non funzionano per il tipo di studi elettronici che Bostwick e Rotenberg eseguono alla beamline ALS 7.0.1. Usano una tecnica nota come spettroscopia di fotoemissione ad angolo risolta (ARPES); per ARPES, la superficie del campione deve essere piana. Il grafene indipendente è raramente piatto; nella migliore delle ipotesi assomiglia a un lenzuolo spiegazzato.
Usare gli elettroni per disegnare immagini di particelle composite
“Uno dei modi migliori per far crescere un foglio piatto di grafene è riscaldare un cristallo di carburo di silicio, "Rotenberg dice, “e capita che i nostri colleghi tedeschi Thomas Seyller dell'Università di Erlangen e Karsten Horn del Fritz Haber Institute di Berlino siano esperti nel lavorare con il carburo di silicio. Quando il silicio si allontana dalla superficie lascia un singolo strato di carbonio”.
Il diagramma del gap di banda "elettronico nudo" del grafene neutro (a destra) mostra la banda di valenza piena e la banda di conduzione vuota che formano due coni che si incontrano all'incrocio di Dirac (freccia). Ma anche i risultati ARPES a bassa risoluzione (a sinistra) suggeriscono che sotto il valico di Dirac, la distribuzione dell'energia e della quantità di moto dei portatori di carica non è così semplice.
Usando il grafene piatto realizzato in questo modo, i ricercatori speravano di studiare le proprietà intrinseche del grafene tramite ARPES. Innanzitutto un fascio di raggi X molli della SLA libera elettroni dal grafene (fotoemissione). Quindi misurando la direzione (angolo) e la velocità degli elettroni emessi, l'esperimento recupera la loro energia e slancio; lo spettro degli elettroni emessi cumulativamente viene trasmesso direttamente su un rivelatore bidimensionale.
Il risultato è un'immagine delle bande elettroniche create dagli elettroni stessi. Nel caso del grafene, l'immagine è a forma di x, un taglio in sezione trasversale attraverso le due bande coniche.
“Anche nei nostri esperimenti iniziali con il grafene, sospettavamo che la distribuzione ARPES non fosse così semplice come quella a due coni, suggerito modello a elettroni nudi, "dice Rotenberg. "A bassa risoluzione sembrava esserci un nodo nelle bande all'incrocio di Dirac." Perché in realtà non esiste un elettrone nudo, i ricercatori si sono chiesti se questa confusione fosse causata da portatori di carica che emettevano plasmoni.
“Ma i teorici pensavano che avremmo dovuto vedere effetti ancora più forti, "dice Rotenberg, “e così ci siamo chiesti se il substrato stesse influenzando la fisica. Un singolo strato di atomi di carbonio appoggiato su un substrato di carburo di silicio non è la stessa cosa del grafene indipendente".
I risultati dettagliati di ARPES rivelano che le bande di energia dei normali portatori di carica (buchi) si incontrano in un unico punto, ma le bande coniche di plasmaron si incontrano in un secondo, incrocio Dirac inferiore. Tra questi incroci si trova un anello in cui si incrociano le bande del foro e del plasmaron. La nuova immagine della banda indica quanto fortemente i plasmoni si accoppiano ai portatori di carica nel grafene.
Il substrato di carburo di silicio potrebbe in linea di principio indebolire le interazioni tra le cariche nel grafene (sulla maggior parte dei substrati le proprietà elettroniche del grafene sono disturbate, e gli effetti plasmonici non possono essere osservati). Pertanto il team ha introdotto atomi di idrogeno che si sono legati al carburo di silicio sottostante, isolando lo strato di grafene dal substrato e riducendone l'influenza. Now the graphene film was flat enough to study with ARPES but sufficiently isolated to reveal its intrinsic interactions.
The images obtained by ARPES actually reflect the dynamics of the holes left behind after photoemission of the electrons. The lifetime and mass of excited holes are strongly subject to scattering from other excitations such as phonons (vibrations of the atoms in the crystal lattice), or by creating new electron-hole pairs.
“In the case of graphene, the electron can leave behind either an ordinary hole or a hole bound to a plasmon—a plasmaron, ” says Rotenberg.
Taken together, the interactions dramatically influenced the ARPES spectrum. When the researchers deposited potassium atoms atop the layer of carbon atoms to add extra electrons to the graphene, a detailed ARPES picture of the Dirac crossing region emerged. It revealed that the energy bands of graphene cross at three places, not one.
Ordinary holes have two conical bands that meet at a single point, just as in the bare-electron, non-interacting picture. But another pair of conical bands, the plasmaron bands, meets at a second, lower Dirac crossing. Between these crossings lies a ring where the hole and plasmaron bands cross.
“By their nature, plasmons couple strongly to photons, which promises new ways for manipulating light in nanostructures, giving rise to the field of plasmonics, ” Rotenberg says. “Now we know that plasmons couple strongly to the charge carriers in graphene, which suggests that graphene may have an important role to play in the merging fields of electronics, photonics, and plasmonics on the nanoscale.”
