Considerato come un possibile sostituto dei semiconduttori a base di silicio, grafene, un foglio di puro carbonio, è stato scoperto che ha una proprietà non comune e sorprendente che potrebbe renderlo più adatto ai futuri dispositivi elettronici.

Fisici dell'Università della California, Berkeley, e il Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) hanno scoperto che lo stiramento del grafene in un modo specifico produce nanobolle, costringendo gli elettroni a comportarsi come se un forte campo magnetico li muovesse.

Invece di utilizzare le bande energetiche, come nel grafene non teso, gli elettroni all'interno di ogni singola nanobolla si separano in livelli di energia quantizzati. "I livelli di energia sono identici a quelli che occuperebbe un elettrone se si muovesse in circolo in un campo magnetico molto forte; fino a 300 tesla, che è più grande di qualsiasi laboratorio può produrre tranne che in brevi esplosioni, " ha detto Michael Crommie, professore di fisica alla UC Berkeley e ricercatore di facoltà presso LBNL. "Questo ci offre un nuovo modo di controllare il modo in cui gli elettroni si muovono nel grafene, e quindi per controllare le proprietà elettroniche del grafene, attraverso lo sforzo. Controllando dove si accumulano gli elettroni e a quale energia, potresti farli muovere più facilmente o meno facilmente attraverso il grafene, in effetti, controllando la loro conduttività, proprietà ottiche o a microonde. Il controllo del movimento degli elettroni è la parte più essenziale di qualsiasi dispositivo elettronico."

Mentre il campo magnetico terrestre a livello del suolo è di 31 microtesla, le immagini a risonanza magnetica utilizzano magneti inferiori a 10 tesla. Crommie e colleghi riporteranno la scoperta nel numero del 30 luglio della rivista Scienza .

Crommie è ansioso di usare la proprietà anormale del grafene per studiare come funzionano gli elettroni in campi che, fino ad ora, non sono stati ottenuti in laboratorio, nonostante le implicazioni ingegneristiche della scoperta. "Quando aumenti un campo magnetico inizi a vedere un comportamento molto interessante perché gli elettroni ruotano in piccoli cerchi, " ha detto. "Questo effetto ci dà un nuovo modo per indurre questo comportamento, anche in assenza di un campo magnetico reale."

Tra gli strani comportamenti osservati degli elettroni in forti campi magnetici ci sono l'effetto Hall quantistico e l'effetto Hall quantistico frazionario, quando anche gli elettroni a basse temperature cadono in livelli energetici quantizzati.

Scoperto per caso, il nuovo effetto è stato scoperto quando un ricercatore post-dottorato della UC Berkeley e gli studenti del laboratorio di Crommie hanno coltivato grafene sulla superficie di un cristallo di platino. Proprio come il filo di pollo, il grafene è un foglio di atomi di carbonio dello spessore di un atomo disposti in uno schema esagonale. Quando cresciuto su platino, gli atomi di carbonio non si allineano con la struttura cristallina triangolare della superficie metallica. questo, a sua volta, crea uno schema di deformazione nel grafene come se fosse tirato da tre direzioni diverse.

"Il ceppo produce piccoli, bolle triangolari rialzate di grafene da 4 a 10 nanometri attraverso le quali gli elettroni occupano livelli energetici discreti piuttosto che l'ampio, gamma continua di energie consentite dalla struttura a bande del grafene non teso. Questo nuovo comportamento elettronico è stato rilevato spettroscopicamente mediante scansione di microscopia a effetto tunnel. Questi cosiddetti livelli di Landau ricordano i livelli energetici quantizzati degli elettroni nel semplice modello di Bohr dell'atomo, " Disse Cromi.

Predetto per la prima volta per i nanotubi di carbonio nel 1997 da Charles Kane e Eugene Mele dell'Università della Pennsylvania, era la comparsa di un campo pseudomagnetico in risposta allo sforzo nel grafene. I nanotubi sono semplicemente una forma arrotolata di grafene.

Però, nell'ultimo anno, Francisco Guinea dell'Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid in Spagna, Mikhael Katsnelson dell'Università Radboud di Nimega, Paesi Bassi, e A.K. Geim dell'Università di Manchester, L'Inghilterra ha predetto un effetto Hall pseudo quantistico nel grafene teso. Questa è la stessa quantizzazione osservata dal gruppo di ricerca di Crommie. Visitando il laboratorio di Crommie al momento della scoperta, Fisico dell'Università di Boston, Antonio Castro Neto, immediatamente riconosciuto le implicazioni dei dati. Successivi esperimenti hanno confermato, rifletteva l'effetto Hall pseudo quantistico come previsto.

"I teorici spesso si aggrappano a un'idea e la esplorano teoricamente anche prima che gli esperimenti siano fatti, e a volte fanno previsioni che all'inizio sembrano un po' folli. Ciò che è così eccitante ora è che abbiamo dati che mostrano che queste idee non sono così folli, "Crommie ha detto. "L'osservazione di questi giganteschi campi pseudomagnetici apre la porta alla "straintronica" a temperatura ambiente, ' l'idea di utilizzare deformazioni meccaniche nel grafene per ingegnerizzare il suo comportamento per diverse applicazioni di dispositivi elettronici."

Crommie ha anche notato, i "campi pseudomagnetici" all'interno delle nanobolle sono abbastanza alti che i livelli di energia sono separati da centinaia di millivolt, che è molto più alta della temperatura ambiente. Anche a temperatura ambiente, il rumore termico non interferirebbe con questo effetto nel grafene. Però, gli esperimenti sulle nanobolle eseguiti nel laboratorio di Crommie sono stati eseguiti a temperature molto basse.

Gli elettroni che si muovono in un campo magnetico normalmente circolerebbero intorno alle linee di campo, ma all'interno delle nanobolle tese, gli elettroni circolano nel piano del foglio di grafene. È come se un forte campo magnetico fosse applicato perpendicolarmente al foglio, anche quando non c'è un campo magnetico reale. "Apparentemente, "Crommy ha detto, "il campo pseudomagnetico colpisce solo gli elettroni in movimento e non altre proprietà dell'elettrone, come la rotazione, che sono influenzati da campi magnetici reali."