Una scaglia di grafene è stata coltivata su rame e trasferita su un substrato isolante di biossido di silicio. L'energia di Fermi nel grafene è stata regolata variando la tensione di gate sul gel ionico sovrastante, che confina un liquido fortemente conduttore in una matrice polimerica. Credito:Lawrence Berkeley National Laboratory
Scienziati del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) e dell'Università della California, Berkeley ha imparato a controllare i percorsi quantistici determinando come la luce si disperde nel grafene. La diffusione controllata fornisce un nuovo strumento per lo studio di questo materiale unico – il grafene è un singolo foglio di carbonio spesso solo un atomo – e può indicare applicazioni pratiche per il controllo della luce e degli stati elettronici nei nanodispositivi di grafene.
Il gruppo di ricerca, guidato da Feng Wang della divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab, fece la prima osservazione diretta, nel grafene, della cosiddetta interferenza quantistica nello scattering Raman. La diffusione Raman è una forma di diffusione della luce "anelastica". A differenza della dispersione elastica, in cui la luce diffusa ha lo stesso colore (la stessa energia) della luce incidente, la luce dispersa in modo anelastico perde energia o la guadagna.
La diffusione Raman si verifica nel grafene e in altri cristalli quando un fotone in arrivo, una particella di luce, eccita un elettrone, che a sua volta genera un fonone insieme a un fotone di energia inferiore. I fononi sono vibrazioni del reticolo cristallino, che sono anche trattati come particelle dalla meccanica quantistica.
Le particelle quantistiche sono tanto onde quanto particelle, in modo che possano interferire l'uno con l'altro e persino con se stessi. I ricercatori hanno dimostrato che l'emissione di luce può essere controllata controllando questi percorsi di interferenza. Presentano i loro risultati in un prossimo numero della rivista Natura , ora disponibile nella pubblicazione online anticipata.
Manipolazione dell'interferenza quantistica, nella vita e in laboratorio
"Un esempio familiare di interferenza quantistica nella vita di tutti i giorni è il rivestimento antiriflesso sugli occhiali, "dice Wang, che è anche assistente professore di fisica all'Università di Berkeley. "Un fotone può seguire due percorsi, dispersione dal rivestimento o dal vetro. A causa della sua natura quantistica in realtà segue entrambi, e il rivestimento è progettato in modo che i due percorsi interferiscano tra loro e annullino la luce che altrimenti causerebbe riflessi".
I percorsi quantistici nella diffusione Raman sono eccitazioni elettroniche stimolate otticamente possibili solo se lo stato elettronico iniziale è pieno e lo stato finale è vuoto (in alto). Quando i percorsi vengono rimossi drogando il grafene e abbassando l'energia di Fermi (in basso), la luce della dispersione può aumentare o diminuire, a seconda che i percorsi rimossi interferiscano in modo costruttivo o distruttivo con i percorsi rimanenti. Credito:Lawrence Berkeley National Laboratory
Wang aggiunge, "Il segno distintivo della meccanica quantistica è che se percorsi diversi non sono distinguibili, devono sempre interferire tra loro. Possiamo manipolare l'interferenza tra i percorsi quantistici responsabili della diffusione Raman nel grafene a causa della peculiare struttura elettronica del grafene".
Nella dispersione Raman, i percorsi quantistici sono eccitazioni elettroniche, stimolati otticamente dai fotoni in arrivo. Queste eccitazioni possono verificarsi solo quando lo stato elettronico iniziale è riempito (da una particella carica come un elettrone), e lo stato elettronico finale è vuoto.
La meccanica quantistica descrive gli elettroni che riempiono gli stati elettronici disponibili di un materiale proprio come l'acqua riempie lo spazio in un bicchiere:la "superficie dell'acqua" è chiamata livello di Fermi. Tutti gli stati elettronici sottostanti sono pieni e tutti gli stati sopra sono vuoti. Gli stati pieni possono essere ridotti "drogando" il materiale in modo da abbassare l'energia di Fermi. Quando l'energia di Fermi si abbassa, gli stati elettronici appena sopra vengono rimossi, e vengono rimossi anche i percorsi di eccitazione provenienti da questi stati.
"Siamo stati in grado di controllare i percorsi di eccitazione nel grafene drogandolo elettrostaticamente, applicando una tensione per ridurre l'energia di Fermi ed eliminare gli stati selezionati, " Dice Wang. "Una cosa sorprendente del grafene è che la sua energia di Fermi può essere spostata di ordini di grandezza maggiori rispetto ai materiali convenzionali. Ciò è dovuto in definitiva alla bidimensionalità del grafene e alle sue insolite bande elettroniche".
L'energia di Fermi del grafene non drogato si trova in un singolo punto, dove le sue band elettronicamente riempite, rappresentato graficamente come un cono rivolto verso l'alto, incontrare le sue band elettronicamente vuote, rappresentato come un cono rivolto verso il basso. Per spostare sensibilmente l'energia di Fermi occorre un forte campo elettrico.
Membro del team Rachel Segalman, un professore associato di ingegneria chimica presso l'UC Berkeley e uno scienziato della facoltà nella divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab, fornito il gel ionico che era la chiave del dispositivo sperimentale. Un gel ionico confina un liquido fortemente conduttore in una matrice polimerica. Il gel è stato steso su una scaglia di grafene, cresciuto su rame e trasferito su un substrato isolante. La carica nel grafene è stata regolata dalla tensione di gate sul gel ionico.
"Quindi alzando la tensione abbiamo abbassato l'energia di Fermi del grafene, sbarazzarsi in sequenza degli elettroni di energia superiore, " dice Wang. Eliminando gli elettroni, dalle energie più alte in giù, ha efficacemente eliminato i percorsi che, quando viene colpito da fotoni in arrivo, potrebbe assorbirli e quindi emettere fotoni diffusi da Raman.
Cosa viene dall'interferenza, costruttivo e distruttivo
"Le persone hanno sempre saputo che l'interferenza quantistica è importante nella diffusione Raman, ma è stato difficile da vedere, " dice Wang. "Qui è davvero facile vedere il contributo di ogni stato".
La rimozione dei percorsi quantistici uno per uno altera i modi in cui possono interferire. I cambiamenti sono visibili nell'intensità di diffusione Raman emessa dal dispositivo sperimentale quando è stato illuminato da un raggio di luce laser nel vicino infrarosso. Sebbene il bagliore della diffusione sia molto più debole dell'eccitazione nel vicino infrarosso, i cambiamenti nella sua luminosità possono essere misurati con precisione.
Feng Wang accanto a un diagramma che mostra come l'abbassamento dell'energia di Fermi elimina i percorsi quantistici nel grafene (in basso a sinistra). La trama superiore rivela che quando vengono bloccati percorsi quantistici che interferiscono in modo distruttivo, L'intensità della diffusione Raman è fortemente migliorata (verticale blu pallido, etichettato G). Alla stessa dispersione, e a specifici valori dell'energia di Fermi, la trama rivela "luminescenza elettronica calda" (etichettata H.L.). Credito:Roy Kaltschmidt, Laboratorio Nazionale Lawrence Berkeley
"Nella fisica classica, ti aspetteresti di vedere la luce diffusa attenuarsi man mano che rimuovi i percorsi di eccitazione, "dice Wang, ma i risultati dello sperimentatore sono stati una sorpresa per tutti. "Invece il segnale è diventato più forte!"
La luce diffusa diventava più brillante man mano che i percorsi di eccitazione si riducevano, ciò che Wang chiama "una firma canonica di interferenza quantistica distruttiva".
Perché "distruttivamente?" Poiché fononi e fotoni sparsi possono essere eccitati da molti diversi, percorsi indistinguibili che interferiscono tra loro, bloccare un percorso può diminuire o aumentare la luce dalla dispersione, a seconda che quel percorso interferisse in modo costruttivo o distruttivo con gli altri. Nel grafene, i percorsi di energia inferiore e superiore interferivano in modo distruttivo. La rimozione di uno di essi ha così aumentato la brillantezza dell'emissione.
"Ciò che abbiamo dimostrato è la natura di interferenza quantistica della diffusione Raman, " Wang dice. "Era sempre lì, ma era così difficile da vedere che spesso veniva trascurato."
In una seconda osservazione, i ricercatori hanno trovato un altro esempio inaspettato di diffusione anelastica della luce. Questo, "luminescenza elettronica calda, "non è il risultato di percorsi quantistici bloccati, però.
Quando viene applicata una forte tensione e l'energia di Fermi del grafene si abbassa, gli stati di elettroni di energia superiore vengono svuotati dalla banda piena. Elettroni altamente eccitati dai fotoni in arrivo, abbastanza per saltare alla banda vuota, quindi trovare ulteriori possibilità di ripiegare negli stati ora vacanti in quella che era la fascia piena. Ma questi elettroni "caldi" possono ricadere solo se emettono un fotone della giusta frequenza. La luminescenza dell'elettrone caldo osservata dai ricercatori ha un'intensità integrata cento volte più forte della diffusione Raman.
La strada intrapresa
Il poeta Robert Frost scrisse di imbattersi in due strade che divergevano in un bosco, ed era dispiaciuto di non poter viaggiare entrambi. Non solo i processi quantistici possono prendere entrambe le strade contemporaneamente, possono interferire con se stessi nel farlo.
Il gruppo di ricerca, lavorando all'Università di Berkeley e all'Advanced Light Source del Berkeley Lab, ha dimostrato che la diffusione anelastica della luce può essere controllata controllando l'interferenza tra gli stati intermedi tra l'assorbimento e l'emissione dei fotoni. La manipolazione di tale interferenza ha consentito nuovi tipi di controllo quantistico delle reazioni chimiche, così come degli stati "spintronici", in cui sono interessati non la carica ma gli spin quantistici degli elettroni. Lo scattering Raman fortemente potenziato può essere un vantaggio per la ricerca sui materiali su scala nanometrica. La luminescenza calda è potenzialmente attraente per l'optoelettronica e la ricerca biologica, in cui i tag nel vicino infrarosso, anche deboli, potrebbero essere molto utili.
"Allo stesso modo il fenomeno della luminescenza di elettroni caldi, perché segue immediatamente l'eccitazione da parte di una sonda laser, potrebbe diventare un prezioso strumento di ricerca, "dice Wang, "in particolare per lo studio della dinamica degli elettroni ultraveloci, una delle principali caratteristiche insolite del grafene."
